CN110380812A - 一种提高窃听信道物理层安全性的有效扰码方法 - Google Patents

Abstract

本发明基于加性高斯白噪声(AWGN)窃听信道提出一种有效扰码矩阵以改善物理层安全传输的方法，属于无线通信信息安全领域。特征是在发送端消息编码之前，通过添加扰码矩阵将初始信息扰乱从而使窃听者的译码残余错误扩散到其整个接收码字中，同时确保合法接收端Bob的可靠接收。本发明所提出的方案，不仅能够降低系统计算的复杂度，而且还能提高窃听端的误码率，从而进一步缩小安全间隔，保障私密信息安全。本发明可用于实现高保密性能和高可靠性能的物理层信息传输。

Description

一种提高窃听信道物理层安全性的有效扰码方法

技术领域

本发明涉及一种基于窃听信道信息可靠传输提出的有效扰码方法，属于无线通信信息安全领域。

背景技术

随着无线通信技术的迅猛发展，蜂窝通信、WIFI,WiMAX,Ad-hoc,WSN,NFC等无线网络在军事民用各方面得到了广泛应用。然而，在给人们带来便利的同时，无线信道的开放性与电磁传播的广播特性也使得无线通信安全问题变得越来越突出，如何保证一些重要或私密的信息在传输过程中不被非法窃听、拦截、篡改、干扰等，成为业界关注的焦点。传统的无线通信安全沿用有线通信中的信源加密方法，但无线信道的开放性增加了密钥分发与管理的难度，同时，这种依靠计算复杂度来保证安全的方法，随着终端计算处理能力的不断提升将越来越不可行，没有从根本上解决物理层电磁信号泄露带来的安全问题。

无线通信的安全威胁主要来自于物理层，然而无线通信的物理层特点也有助于解决安全问题。在无线通信中，由于电磁波传输路径具有多样性，且不同的传输路径所经过的传输介质、反射角度、散射程度不同，使得无线信道表现出衰落时变特性。同时，由于不同接收者所处的空间位置不同，信号接收环境存在差异，使得合法通信双方的信道特征具有唯一性，且窃听者无法获得，利用该特性能够使私密信息只在合法通信双方专属的信道中匹配传输，而窃听者不能从中获得有关私密信息的任何信息量。因此，物理层安全从无线信道特征的时变性和唯一性入手，通过利用不同信道特征之间的差异标识处于不同空间位置的合法接收者和窃听者，实现合法通信双方的信息的安全传输，成为一种新兴的安全传输技术。1949年Shannon指出“一次一密”条件下任意潜在的窃听者均无法窃取有关消息的任何信息量，并从信息嫡的角度给出了衡量加密系统安全性的数学理论。随后，Wyner等人基于有线通信研究了合法信道无噪、窃听信道为BSC信道时的Wire-tap模型，首次提出了保密容量的概念，即当合法通信双方以不大于保密容量的数据速率通过时，可保证第三方完全无法截获信息。Shannon的信息安全理论与Wyner的窃听信道模型，为后续物理层安全的研究奠定了基础。

由于无线信道的开放性，无线通信的安全威胁主要发生在信息传输过程中，所以信道的影响是无线通信安全机制设计的主要考虑因素。而物理层安全技术的研究与现代密码学研究的主要区别就在于它考虑了通信环境对系统的影响，即信号并不是无差错传输的，因此物理层安全得到了国内外的广泛关注。回顾近二十年来物理层安全领域的研究成果，这一领域的研究主要分为以下两个方面：(1)从信息论角度出发，研究系统的安全容量；(2)利用物理层资源的唯一性和差异性，研究系统的安全传输。

相比于系统安全容量，物理层安全传输方法的研究更侧重于实际应用，随着多天线、多载波等无线通信技术的发展，无线通信系统在空间自由度和频域自由度上都得到了不同程度的提高，为安全传输的研究提供了丰富的物理层资源。

发明内容

本发明的目的是：提高窃听信道物理层安全性。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供了一种提高窃听信道物理层安全性的有效扰码方法，其特征在于，包括以下步骤：

发送端Alice以1×k的二进制向量u的形式向接收端Bob发送k比特信息，在发送之前，k比特信息通过加扰运算得到u′，再经编码成1×n的向量c，向量c通过AWGN信道发送给接收端Bob，其中n≥k；与此同时，窃听端Eve通过它和发送端Alice的独立AWGN信道窃听了k比特信息，Bob和Eve两者得到的有噪信息分别记为c_B和c_E，最后有噪的信息c_B和c_E被接收端Bob和窃听端Eve解码并解扰为u_B和u_E，其中：

将k比特信息定义为消息u，则加扰运算为将消息u与k×k加扰矩阵S相乘，得到加扰信息u′，即有：u′＝u·S，对于正整数m，以信息长度k＝2^m定义加扰矩阵S，有：

式中，S_k表示大小为k×k的扰码矩阵；S_k/2表示大小为k/2×k/2的扰码矩阵；F_m为以下集合之一： 为克罗内克积运算符；

窃听端Eve在窃听端将信息解码成u′_E，然后对u′_E进行解扰，引入解扰矩阵S^-1，S^-1＝S，则有：u_E＝u′_E·S^-1。

本发明通过构建一种有效的扰码矩阵在降低系统通信计算复杂度的同时，扰乱窃听者接收的信息比特，提高窃听端误码率，从而缩小与合法用户的安全间隔，改善物理层信息安全传输性能。

附图说明

图1为本发明系统模型；

图2为安全间隔的定义图。

具体实施方式

下面结合附图，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图1所示，本发明提供的一种提高窃听信道物理层安全性的有效扰码方法，包括以下步骤：

发送端Alice以1×k的二进制向量u的形式向接收端Bob发送k比特信息，在发送之前，k比特信息通过加扰运算得到u′，再经编码成1×n的向量c，向量c通过AWGN信道发送给接收端Bob，其中n≥k；与此同时，窃听端Eve通过它和发送端Alice的独立AWGN信道窃听了k比特信息，Bob和Eve两者得到的有噪信息分别记为c_B和c_E，最后有噪的信息c_B和c_E被接收端Bob和窃听端Eve解码并解扰为u_B和u_E，其中：

将k比特信息定义为消息u，则加扰运算为将消息u与k×k加扰矩阵S相乘，得到加扰信息u′，即有：u′＝u·S，对于正整数m，以信息长度k＝2^m定义加扰矩阵S，有：

式中，S_k表示大小为k×k的扰码矩阵；S_k/2表示大小为k/2×k/2的扰码矩阵；F_m为以下集合之一： 为克罗内克积运算符；

举例说明，假设得到加扰矩阵S₈：

窃听端Eve在窃听端将信息解码成u′_E，然后对u′_E进行解扰，引入解扰矩阵S^-1，S^-1＝S，则有：u_E＝u′_E·S^-1。

出于保密目的，在解码消息u′_E中存在一个(或多个)错误时最大化不确定性是有用的，这可能是由于高密度加扰矩阵S，其中解码码字中的单个错误足以确保在解扰之后接近1/2的错误率。

S^-1＝S的证明过程如下：

易证F_m·F_m＝I₂，其中I₂表示2×2单位矩阵。因此，根据对合矩阵定义，F_m是对合矩阵。假设m＝1，得到：

公式(1)成立在S₁＝1和F_m是对合矩阵情况下。然后假设m＝m₀，根据得到：

公式(2)成立在F_m是对合矩阵情况下。由此证明，对于任意的正整数m和k＝2^m，有：

公式(2)是成立的，即所提方案的加扰矩阵S即为解扰矩阵S^-1。

对于本发明所提方案，采用如下方法对其复杂度进行评估：

如公式本发明所提方案的扰码矩证S是由集合F中任意F_m经克罗内克运算构造而成，根据Walsh-Hadamard变换(FWHT_h)迭代思想：

式中，H_k表示k阶Hadamard矩阵。可以将大小为k×k的扰码矩阵S_k分解为大小为k/2×k/2的扰码矩阵S_k/2。因此，类似于FWHT_h，u′＝u·S和u_E＝u′_E·S^-1的快速实现将本发明所提方案的计算复杂度降低到O(nlogn)。

Claims (1)

1.一种提高窃听信道物理层安全性的有效扰码方法，其特征在于，包括以下步骤：

发送端Alice以1×k的二进制向量u的形式向接收端Bob发送k比特信息，在发送之前，k比特信息通过加扰运算得到u′，再经编码成1×n的向量c，向量c通过AWGN信道发送给接收端Bob，其中n≥k；与此同时，窃听端Eve通过它和发送端Alice的独立AWGN信道窃听了k比特信息，Bob和Eve两者得到的有噪信息分别记为c_B和c_E，最后有噪的信息c_B和c_E被接收端Bob和窃听端Eve解码并解扰为u_B和u_E，其中：

将k比特信息定义为消息u，则加扰运算为将消息u与k×k加扰矩阵S相乘，得到加扰信息u′，即有：u′＝u·S，对于正整数m，以信息长度k＝2^m定义加扰矩阵S，有：

式中，S_k表示大小为k×k的扰码矩阵；S_k/2表示大小为k/2×k/2的扰码矩阵；F_m为以下集合之一： 为克罗内克积运算符；

窃听端Eve在窃听端将信息解码成u′_E，然后对u′_E进行解扰，引入解扰矩阵S^-1，S^-1＝S，则有：u_E＝u′_E·S^-1。