基于信道編碼矩陣動(dòng)態(tài)變化的物理層安全傳輸方法及系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于通信信息安全領(lǐng)域，涉及一種基于信道編碼矩陣動(dòng)態(tài)變化的物理層安 全通信系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)，物聯(lián)網(wǎng)等新技術(shù)的興起，未來無線通信系統(tǒng)面臨著信息的高效 高可靠傳輸和信息安全的雙重挑戰(zhàn)。具體來說，一方面，在惡劣的電磁環(huán)境中，如何保證信 息的高效高可靠傳輸是面臨的一大挑戰(zhàn)；另一方面，在開放的電磁環(huán)境中，如何保障信息傳 輸?shù)陌踩允橇硪粋€(gè)亟待解決的問題。
[0003] 現(xiàn)有的無線通信系統(tǒng)采用的是加密、糾錯(cuò)分離的傳輸系統(tǒng)，如圖1所示，該系統(tǒng)包 括依次設(shè)置在發(fā)送端應(yīng)用層和物理層的加密器和信道編碼器，以及依次設(shè)置在接收端應(yīng)用 層和物理層的解密器和信道譯碼器；發(fā)送端與接收端通過主信道進(jìn)行通信。該系統(tǒng)的通信 方法如圖1所示，主要步驟為：在通信開始前，基于密鑰交換協(xié)議，秘密地共享通過密鑰協(xié) 商得到的對(duì)稱密鑰k ;發(fā)送端信道編碼器與接收端信道譯碼器之間，基于信道編碼校驗(yàn)矩 陣構(gòu)造方法，使用經(jīng)過優(yōu)化構(gòu)造生成的固定校驗(yàn)矩陣Htl。在此處，信道編碼矩陣即為固定校 驗(yàn)矩陣H tl，通過矩陣變換可以從固定校驗(yàn)矩陣Htl得到等價(jià)的固定生成矩陣；在發(fā)送端，發(fā)送 明文Hi i經(jīng)過加密器通過對(duì)稱密鑰k得到發(fā)送密文c i，再經(jīng)過信道編碼器通過固定校驗(yàn)矩陣 Htl得到的等價(jià)固定生成矩陣生成發(fā)送碼字X i;發(fā)送碼字X i通過主信道進(jìn)行傳輸，從而在接 收端得到接收碼字yi;在接收端，接收碼字y i經(jīng)過信道譯碼器通過固定校驗(yàn)矩陣H ^得到接 收密文W i，再經(jīng)過解密器通過對(duì)稱密鑰k得到接收明文m' i。對(duì)于竊聽者，能夠獲取公 開的固定校驗(yàn)矩陣Htl。竊聽者通過竊聽信道得到竊聽碼字Zi，經(jīng)過信道譯碼器得到接收密 文c" i，再在未知對(duì)稱密鑰k的條件下，通過破譯器得到未知的破譯明文。
[0004] 因此，已有無線通信傳輸系統(tǒng)的加密、糾錯(cuò)是分開研宄、獨(dú)立設(shè)計(jì)的。其中，信息傳 輸?shù)母咝Ц呖煽啃允峭ㄐ畔到y(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要目標(biāo)，由物理層中的信道編譯碼器保證，已 經(jīng)得到了長(zhǎng)期深入的研宄而離信道極限愈來愈近；信息安全性則由通信系統(tǒng)應(yīng)用層協(xié)議中 的加解密器保證，但其沒有充分考慮通信傳輸過程中存在的殘余誤碼、丟包等一系列問題， 使其對(duì)傳輸誤碼過于敏感而難以適用于寬帶無線通信系統(tǒng)。同時(shí)，加密、糾錯(cuò)分離的傳輸系 統(tǒng)沒有通盤考慮通信系統(tǒng)特性，不能有效利用通信系統(tǒng)特性來增強(qiáng)保密性能，使得信息傳 輸?shù)陌踩詢H由單獨(dú)的加解密器的唯一決定，使得現(xiàn)有無線通信系統(tǒng)易于被竊聽而造成信 息泄露。
[0005] 為了突破現(xiàn)有的分離編碼體制，近年來物理層信息安全等新技術(shù)被提出，希望能 夠在物理層同時(shí)保障信息傳輸?shù)目煽啃耘c安全性。一種方案是利用接收端相對(duì)于竊聽者的 信道條件優(yōu)勢(shì)來獲取安全通信容量。通過信息論的方法可以證明，假設(shè)接收端信噪比大于 竊聽者信噪比，那么安全通信容量等于兩者信道容量之差；同時(shí)，只要發(fā)送端傳輸速率不超 過安全通信容量，就可以通過編碼的方法使得竊聽者無法獲取任何關(guān)于秘密信源的信息。 這種方法的缺點(diǎn)在于：其一，接收端的信噪比不能低于任何一個(gè)竊聽者，這個(gè)假設(shè)在很多的 場(chǎng)景下不能完全成立；其二，發(fā)送端需要了解通信系統(tǒng)全局的信道信息。雖然接收端的信道 信息可以反饋到接收端，但是發(fā)送端很難獲取竊聽者的信道信息。其三，如何構(gòu)造一種在常 見的高斯信道下逼近安全通信容量的實(shí)用編碼技術(shù)仍然是一個(gè)難題。雖然文獻(xiàn)中已經(jīng)提出 了在無限碼長(zhǎng)條件下的編碼方案，但是在有限碼長(zhǎng)編碼的情況下，安全傳輸?shù)乃俾蔬€與安 全通信容量有著較大的差距。
[0006] 另一種方案是利用秘密的信道編碼矩陣，通過聯(lián)合加密糾錯(cuò)編碼來同時(shí)保證物理 層傳輸?shù)陌踩耘c可靠性。這種方案的好處在于不要求接收端相對(duì)于竊聽者的信道條件優(yōu) 勢(shì)；同時(shí)，也不需要獲取整個(gè)通信系統(tǒng)的全局信道信息，尤其是竊聽者的信道信息。這種方 案的缺點(diǎn)在于，已有的設(shè)計(jì)均采用固定不變的秘密信道編碼矩陣。然而，由于信道編碼是一 種線性編碼，竊聽者即使在未知信道編碼矩陣的情況下，也能夠利用已知明文攻擊，通過積 累足夠多的"明文-密文對(duì)"來破解出信道編碼矩陣。因此，固定的秘密信道編碼矩陣難以 保證傳輸?shù)陌踩裕瑯O易被竊聽者破解而造成信息泄露。
[0007] 從以上的分析可以看出，第一種方案解決了信息傳輸?shù)陌踩?，但是無法保證信 息傳輸?shù)母咝Ц呖煽啃裕坏诙N方案能夠提供高效高可靠的傳輸性能，卻難以抵抗已知明 文攻擊而導(dǎo)致安全性非常低。因此，上述的方案均不能妥善的解決物理層信息傳輸?shù)目煽?性與安全性之間的矛盾，均不能滿足未來寬帶無線通信的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出了一種基于信道編碼矩陣 動(dòng)態(tài)變化的物理層安全通信系統(tǒng)及方法。該系統(tǒng)采用低密度奇偶校驗(yàn)（Low-Density Parity-Check，LDPC)碼作為信道編碼，對(duì)應(yīng)的信道編碼矩陣為隨機(jī)稀疏校驗(yàn)矩陣；LDPC碼 具有接近香農(nóng)理論極限的高效糾錯(cuò)性能，并且隨機(jī)稀疏校驗(yàn)矩陣具有良好的加密特性，可 用于實(shí)現(xiàn)高保密性能和高可靠性能的物理層信息傳輸。
[0009] 本發(fā)明提出的基于信道編碼矩陣動(dòng)態(tài)變化的物理層安全通信系統(tǒng)，其特征在于， 該系統(tǒng)包括設(shè)置在發(fā)送端物理層的聯(lián)合編碼器，設(shè)置在接收端物理層的聯(lián)合譯碼器，發(fā)送 端與接收端通過主信道進(jìn)行通信；在聯(lián)合編碼器與聯(lián)合譯碼器秘密地共享通過密鑰協(xié)商得 到的對(duì)稱密鑰k;以及公開約定的基礎(chǔ)校驗(yàn)矩陣馬，以及用矩陣擴(kuò)展因子和偽隨機(jī)向量巧實(shí) 時(shí)產(chǎn)生動(dòng)態(tài)校驗(yàn)矩陣H i=I1(HDri)進(jìn)行編碼譯碼。
[0010] 本發(fā)明提出的基于信道編碼矩陣動(dòng)態(tài)變化的物理層安全通信系統(tǒng)其特征在于，該 系統(tǒng)包括設(shè)置在發(fā)送端物理層的聯(lián)合編碼器，設(shè)置在接收端物理層的聯(lián)合譯碼器，發(fā)送端 與接收端通過主信道進(jìn)行通信；在聯(lián)合編碼器與聯(lián)合譯碼器秘密地共享通過密鑰協(xié)商得到 的對(duì)稱密鑰k ;以及公開約定的基礎(chǔ)校驗(yàn)矩陣馬，以及用矩陣擴(kuò)展因子和偽隨機(jī)向量^實(shí)時(shí) 產(chǎn)生動(dòng)態(tài)校驗(yàn)矩陣Hi=I 1(Hbri)進(jìn)行編碼譯碼。
[0011] 上述系統(tǒng)的通信方法在發(fā)送端的聯(lián)合編碼器與接收端的聯(lián)合譯碼器之間：基于已 有的密鑰交換協(xié)議，秘密地共享通過密鑰協(xié)商得到的對(duì)稱密鑰k ;基于已有的LDPC校驗(yàn)矩 陣構(gòu)造方法，公開地約定經(jīng)過優(yōu)化構(gòu)造生成的基礎(chǔ)校驗(yàn)矩陣Hb，以及矩陣擴(kuò)展因子T ;在發(fā) 送端，通過聯(lián)合編碼器對(duì)每個(gè)發(fā)送明文進(jìn)行聯(lián)合加密糾錯(cuò)編碼，得到對(duì)應(yīng)的η比特發(fā)送碼 字；在接收端，通過聯(lián)合譯碼器對(duì)接收的碼字譯碼為接收明文。
[0012] 本發(fā)明的特點(diǎn)在于，該方法通過矩陣擴(kuò)展構(gòu)造，在發(fā)送端與接收端同步的偽隨機(jī) 序列的控制下，將給定的基本校驗(yàn)矩陣實(shí)時(shí)地?cái)U(kuò)展為動(dòng)態(tài)校驗(yàn)矩陣；在發(fā)送端，明文被一步 編碼成為兼具加密功能和糾錯(cuò)功能的密文；在接收端，密文被一步譯碼完成解密和糾錯(cuò)。特 別地，每個(gè)"明文-密文對(duì)"使用與其唯一對(duì)應(yīng)的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)矩陣進(jìn)行編碼和譯碼。
[0013] 本發(fā)明的進(jìn)步效果在于：本發(fā)明的物理層安全通信系統(tǒng)解決了信息傳輸?shù)目煽啃?與安全性之間的矛盾，能同時(shí)保證了信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩浴?br>[0014] 可靠性方面：在本發(fā)明的系統(tǒng)中，為了滿足信道編碼矩陣動(dòng)態(tài)變化下傳輸?shù)目煽?性，本發(fā)明采用了一種基于矩陣擴(kuò)展的校驗(yàn)矩陣構(gòu)造方法：首先基于已有的LDPC校驗(yàn)矩陣 構(gòu)造方法構(gòu)造出高性能的基礎(chǔ)校驗(yàn)矩陣H b;然后在偽隨機(jī)向量r ^勺控制下，對(duì)基礎(chǔ)校驗(yàn)矩 陣Hb進(jìn)行實(shí)時(shí)的矩陣擴(kuò)展，其中的"1"元素?cái)U(kuò)展成