專利名稱：具有加密功能的ldpc碼編/解碼方法和編/解碼器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及可靠信息傳輸過程中的加密和解密技術(shù)，尤其涉及一種具有加密功能的LDPC碼編/解碼方法和編/解碼器。

背景技術(shù)：
由于LDPC碼具有優(yōu)越的糾錯(cuò)和抗干擾性能，因而它已被無線城域網(wǎng)，深空通信、衛(wèi)星通信、地面數(shù)字電視系統(tǒng)等的工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)所采用。但是，LDPC碼本身并不具備加密功能，因此LDPC碼的應(yīng)用領(lǐng)域，尚未擴(kuò)展到信息安全與保密領(lǐng)域中的應(yīng)用。
LDPC碼是一種分組碼，其校驗(yàn)矩陣只含有很少量非零元素。正是校驗(yàn)矩陣H的這種稀疏性，保證了譯碼復(fù)雜度和最小碼距都只隨碼長(zhǎng)呈現(xiàn)線性增加。校驗(yàn)矩陣H的每一行對(duì)應(yīng)一個(gè)校驗(yàn)方程，每一列對(duì)應(yīng)碼字中的一比特。因此，對(duì)于一個(gè)二進(jìn)制碼，如果它有M個(gè)奇偶校驗(yàn)約束關(guān)系，碼字的長(zhǎng)度為n，則校驗(yàn)矩陣是一個(gè)尺寸為M×N的二進(jìn)制矩陣。對(duì)于M×N維校驗(yàn)矩陣為H，當(dāng)且僅當(dāng)向量c＝[c(1)c(2)...c(N)]滿足 H·cT＝0 時(shí)，它才是該碼的一個(gè)有效碼字。
除了校驗(yàn)矩陣H是稀疏矩陣外，LDPC碼本身與任何其它的分組碼并無二致。其實(shí)如果現(xiàn)有的分組碼可以被稀疏矩陣所表達(dá)，那么用于LDPC碼的迭代譯碼算法也可以成功的移植到它身上。然而，一般來說，為現(xiàn)有的分組碼找到一個(gè)稀疏矩陣并不實(shí)際。不同的是，LDPC碼的設(shè)計(jì)是以構(gòu)造一個(gè)校驗(yàn)矩陣開始的，然后才通過它確定一個(gè)生成矩陣進(jìn)行后續(xù)編碼。
譯碼方法是LDPC碼與經(jīng)典的分組碼之間的最大區(qū)別。經(jīng)典的分組碼一般是用ML類的譯碼算法進(jìn)行譯碼的，所以它們一般碼長(zhǎng)較小，并通過代數(shù)設(shè)計(jì)以減低譯碼工作的復(fù)雜度。但是LDPC碼de的碼長(zhǎng)較長(zhǎng)，并通過其校驗(yàn)矩陣H的兩分圖而進(jìn)行迭代譯碼，所以它的設(shè)計(jì)以校驗(yàn)矩陣H的特性為核心考慮之一。并且，如果要使構(gòu)造出的LDPC碼具有良好的糾錯(cuò)性能，則必須滿足3個(gè)條件分別是無短環(huán)，無低碼重碼字，碼間最小距離要盡可能大。本發(fā)明提出一種隨機(jī)LDPC碼可滿足這3個(gè)條件。
LDPC碼在結(jié)構(gòu)上可以分為準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼和隨機(jī)LDPC碼。從加密角度考慮，準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣具有很強(qiáng)的規(guī)則性，易于被攻擊方破譯其設(shè)計(jì)。而隨機(jī)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣具有很強(qiáng)的隨機(jī)性，攻擊方破譯其設(shè)計(jì)為NP問題。
準(zhǔn)循環(huán)(Quasi-Cyclic)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣由一些零矩陣和循環(huán)置換單位子矩陣構(gòu)成。定義Zi為z×z階單位陣循環(huán)移動(dòng)i次得到的循環(huán)置換子矩陣，其中，Z∞意味著尺寸為z×z的零矩陣。校驗(yàn)矩陣H為mz×nz階，可如下構(gòu)造 其中αij的取值范圍是{0，1，…，z-1，∞}. 對(duì)于準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼，攻擊方只要掌握單位陣的階次z，各置換單位子矩陣第一行中“1”元素的位置以及循環(huán)置換單位子矩陣在校驗(yàn)矩陣中的位置，即可破譯校驗(yàn)矩陣的設(shè)計(jì)。因此，準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼不宜為加密LDPC編解碼器使用 不同于準(zhǔn)循環(huán)LDPC碼，隨機(jī)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣式H的準(zhǔn)循環(huán)結(jié)構(gòu)，校驗(yàn)矩陣中的“1”元素的位置逐行逐列都是隨機(jī)的，攻擊方破譯其設(shè)計(jì)為NP問題。
現(xiàn)有的保密通信技術(shù)中，其信息加密方法未使用到LDPC碼，同時(shí)也未考慮到抗電子干擾問題。例如，如果加密文件受電子干擾出現(xiàn)誤碼，即使知道解密算法，也無法還原原始文件數(shù)據(jù)。并且，直接采用現(xiàn)有加密算法對(duì)傳輸信息進(jìn)行加密，將產(chǎn)生巨大的加密延遲和解密延遲，大大降低傳輸速率，無法進(jìn)行高速的加密圖像和加密視頻傳輸。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種具有加密功能的LDPC碼編/解碼方法和編/解碼器?；诒景l(fā)明，在保證加密后的數(shù)據(jù)在解密后具有滿足高保真性能的需求，并且在信道傳輸中具有很強(qiáng)的抗干擾能力。
本發(fā)明公開了一種具有加密功能的LDPC碼編方法，包括如下步驟 獲取第一密鑰和第二密鑰，所述第一密鑰依據(jù)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣確定，所述第二密鑰依據(jù)交織擾亂信息確定；其中，所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，所述交織擾亂信息是預(yù)先設(shè)置的參數(shù)；解析所述第一密鑰，并確定LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，以對(duì)信源的信息比特序列進(jìn)行第一次加密；解析所述第二密鑰，并確定外置交織圖參數(shù)，以對(duì)第一次加密后的信息比特序列進(jìn)行第二次加密；發(fā)送第二次加密的信息比特序列；以及選擇發(fā)送所述第一密鑰和所述第二密鑰。
在上述具有加密功能的LDPC碼編方法中，優(yōu)選所述校驗(yàn)矩陣為無4環(huán)矩陣。
在上述具有加密功能的LDPC碼編方法中，優(yōu)選所述校驗(yàn)矩陣H＝[Hb Ha]，其中，Ha為稀疏的隨機(jī)矩陣，Hb為雙對(duì)角線矩陣；所述LDPC碼的長(zhǎng)度為N，信息比特序列的長(zhǎng)度為M，校驗(yàn)矩陣H的維數(shù)為M×N，Ha的維數(shù)為M×(N-M)，形式為Ha＝[h(1)...h(N-M)]，Hb的維數(shù)為M×M，形式為
以及 所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣、通過如下步驟預(yù)先設(shè)置，包括 列重設(shè)置子步驟，設(shè)定校驗(yàn)矩陣H的列重為k； 第一檢測(cè)子步驟，將k個(gè)1隨機(jī)地放置在一M×1列向量上，令該列向量為h(1)＝[h(1，1)...h(M，1)]T；將h(1)＝[h(1，1)...h(M，1)]T和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hb h(1)]，檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(1)上，檢驗(yàn)是否滿足所述預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；若不滿足，繼續(xù)上述步驟，直到滿足所述預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為止； 第二檢測(cè)子步驟，將k個(gè)1隨機(jī)地放置在一M×1列向量上，令該列向量為h(2)＝[h(1，2)...h(M，2)]T，將h(1)、h(2)和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hb h(1)h(2)]檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(2)上，檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，若不滿足，繼續(xù)上述步驟，直到滿足所述預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為止； 第三檢測(cè)子步驟，對(duì)于i＝3，...，N，將k個(gè)1隨機(jī)地放置在M×1列，令該列向量為h(i)＝[h(1，i)...h(M，i)]T，將h(1)，h(2)，...，h(i)和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hb h(1)...h(i)]檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(2)上，檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，直到滿足為止；當(dāng)i＝N時(shí)，得到校驗(yàn)矩陣H。
在上述具有加密功能的LDPC碼編方法中，優(yōu)選所述交織擾亂信息通過如下步驟預(yù)先設(shè)置，包括 長(zhǎng)度設(shè)置子步驟，設(shè)置所述交織器長(zhǎng)度為素?cái)?shù)N； 交織擾亂信息設(shè)計(jì)子步驟，對(duì)所述交織器的第i個(gè)輸入的信息比特序列，確定交織擾亂信息 給定m＝1，從集合S＝{1，2，...，N}中隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)i1的概率為p(i1)＝1/N，將選擇的i1記為ri(1)，同時(shí)將i1從集合S中刪除，得到的新的集合記為S1；在第k步，從集合Sk-1＝{i∈S，i≠i1，i2，...，iN-k+1}中隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)ik，其相應(yīng)的選取概率為p(ik)＝1/(N-k+1)，將選擇的ik記為ri(k)，同時(shí)將ik從集合Sk-1中刪除，得到的新的集合記為Sk當(dāng)k＝N時(shí)，得到ri(N)，相應(yīng)的選取概率為p(iN)＝1，SN＝Φ。
本發(fā)明還提供了具有加密功能的LDPC解碼方法、編碼器及解碼器，其原理與上述編碼方法相似或者相應(yīng)，在具體實(shí)施方式
中將具體闡述，在此不再詳細(xì)說明。
相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有如下有益效果本發(fā)明基于校驗(yàn)矩陣、交織器形成密鑰系統(tǒng)，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次軟加密，經(jīng)試驗(yàn)，加密后的數(shù)據(jù)被解密后的滿足高保真性能的需求，并且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以運(yùn)用在諸如軍事等電子對(duì)抗領(lǐng)域。本發(fā)明提出的LDPC碼的編碼方法、解碼方法、編碼器和解碼器本身具備加密功能，無附加加密算法及其加密延遲和解密延遲。



圖1為本發(fā)明具有加密功能的LDPC碼的編碼方法實(shí)施例的步驟流程圖； 圖2為本發(fā)明具有加密功能的LDPC碼的編碼器實(shí)施例的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)框圖； 圖3為本發(fā)明具有加密功能的LDPC碼的解碼方法實(shí)施例的步驟流程圖； 圖4為本發(fā)明具有加密功能的LDPC碼的解碼器實(shí)施例的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)框圖； 圖5為采用本發(fā)明提出的無4環(huán)的隨機(jī)LDPC碼的LDPC編解碼器誤碼率性能曲線； 圖6為實(shí)驗(yàn)1的256×256原始圖像A1； 圖7為實(shí)驗(yàn)1的LDPC糾錯(cuò)密碼加密后圖像B1。
圖8為實(shí)驗(yàn)1的合法用戶解密后圖像C1； 圖9為實(shí)驗(yàn)1的非法用戶沒有獲得LDPC碼H矩陣解密后圖像C2(BER＝0.5757)； 圖10為實(shí)驗(yàn)1的非法用戶沒有獲得交織器密鑰時(shí)恢復(fù)圖像C3。
圖11為實(shí)驗(yàn)2的256×256原始圖像A1； 圖12為實(shí)驗(yàn)2的LDPC糾錯(cuò)密碼系統(tǒng)加密后圖像B1； 圖13為實(shí)驗(yàn)2的合法用戶使用LDPC解密系統(tǒng)恢復(fù)圖像C1； 圖14為實(shí)驗(yàn)2的非法用戶使用錯(cuò)誤LDPC糾錯(cuò)密碼密鑰解密恢復(fù)圖C2； 圖15為實(shí)驗(yàn)2的非法用戶使用錯(cuò)誤交織圖恢復(fù)圖象C3(BER＝0.5765)； 圖16為實(shí)驗(yàn)3的原始圖像A1； 圖17為實(shí)驗(yàn)3的LDPC糾錯(cuò)密碼加密后圖像B1； 圖18為實(shí)驗(yàn)3的信道信噪比為2.1dB時(shí)恢復(fù)圖像C1(BER＝1.6e-3)； 圖19為實(shí)驗(yàn)3的信道信噪比為2.2dB時(shí)恢復(fù)圖像C2(BER＝2.6703e-4)； 圖20為實(shí)驗(yàn)3信道信噪比為3dB時(shí)恢復(fù)圖像C3(BER＝0)。

具體實(shí)施例方式 為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更加明顯易懂，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例作進(jìn)一步說明。
參照?qǐng)D1，圖1為本發(fā)明具有加密功能的LDPC碼的編碼方法實(shí)施例的步驟流程圖，包括 步驟110，獲取第一密鑰和第二密鑰，第一密鑰依據(jù)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣確定，第二密鑰依據(jù)交織擾亂信息確定；其中，所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣、所述交織擾亂信息是預(yù)先設(shè)置的； 編碼步驟120，解析所述第一密鑰，并確定LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，以對(duì)信源的信息比特序列進(jìn)行第一次加密； 交織步驟130，解析所述第二密鑰，并確定外置交織圖參數(shù)，以對(duì)第一次加密后的信息比特序列進(jìn)行第二次加密； 發(fā)送步驟140，發(fā)送第二次加密的信息比特序列；以及選擇發(fā)送所述第一密鑰和所述第二密鑰。
下面對(duì)上述步驟進(jìn)行詳細(xì)說明。首先，說明如何預(yù)置LDPC碼的校驗(yàn)矩陣。校驗(yàn)矩陣H由兩部分構(gòu)成一個(gè)稀疏的隨機(jī)矩陣Ha和一個(gè)雙對(duì)角線矩陣Hb，H＝[Hb Ha]。設(shè)LDPC碼的長(zhǎng)度為N，其中信息比特序列的長(zhǎng)度為M，則校驗(yàn)矩陣H的維數(shù)為M×N，雙對(duì)角線子矩陣Hb的維數(shù)為M×M，形式為
矩陣Ha的維數(shù)為M×(N-M)。Ha的設(shè)計(jì)需要考慮與Hb組合后如何避免4環(huán)。4環(huán)將使LDPC解碼器不能快速收斂，并使LDPC碼出現(xiàn)低碼重碼，糾錯(cuò)性能低下。下列檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)提供了校驗(yàn)矩陣H是否存在4環(huán)的算法，所述檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為L(zhǎng)DPC碼4環(huán)檢驗(yàn)定理設(shè)M×N的校驗(yàn)矩陣為 當(dāng)且僅當(dāng)任取兩列向量 h(i)＝[h(1，i)...h(M，i)]T，i∈{1，...，N}和h(j)＝[h(1，j)...h(M，j)]T，j∈{1，...，N}， 且j≠i，若滿足有hT(i)h(j)＜2，校驗(yàn)矩陣H無4環(huán)。
利用上述LDPC碼4環(huán)檢驗(yàn)定理，本發(fā)明提出一種無4環(huán)的隨機(jī)LDPC碼構(gòu)造方法。
設(shè)校驗(yàn)矩陣H的列重為k，校驗(yàn)矩陣H設(shè)計(jì)步驟如下 步驟1將k個(gè)1隨機(jī)地放置在一M×1列向量上，令該列向量為h(1)＝[h(1，1)...h(M，1)]T； 步驟2將h(1)＝[h(1，1)...h(M，1)]T和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hb h(1)]，檢驗(yàn)是否滿足定理1的條件，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(1)上，檢驗(yàn)是否滿足定理1的條件，直到滿足為止； 步驟3將k個(gè)1隨機(jī)地放置在一M×1列向量上，令該列向量為h(2)＝[h(1，2)...h(M，2)]T，將h(1)、h(2)和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hb h(1)h(2)]檢驗(yàn)是否定理1的條件，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(2)上，檢驗(yàn)是否滿足定理1的條件，直到滿足為止； 第4步，對(duì)于i＝3，...，N，將k個(gè)1隨機(jī)地放置在M×1列，令該列向量為h(i)＝[h(1，i)...h(M，i)]T，將h(1)，h(2)，...，h(i)和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hb h(1)...h(i)]檢驗(yàn)是否定理1的條件，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(2)上，檢驗(yàn)是否滿足定理1的條件，直到滿足為止；當(dāng)i＝N時(shí)，得到式(3)的校驗(yàn)矩陣H。
由于校驗(yàn)矩陣H中的子矩陣Ha＝[h(1)...h(N-M)]為隨機(jī)矩陣，破解Ha為NP問題，故非法用戶在未知子矩陣Ha的情況下無法正確解碼。
本實(shí)施例使用LDPC碼校驗(yàn)矩陣直接編碼，LDPC碼校驗(yàn)矩陣為密鑰。信息比特序列s(j)，j＝1，...，M，經(jīng)LDPC編碼器編碼后即完成信息比特序列的一次加密 因而，得到校驗(yàn)比特向量p＝[p(1) p(2)...p(N-M)]，從而可以實(shí)現(xiàn)LDPC碼的編碼算法?？梢钥闯觯景l(fā)明的編碼算法未使用LDPC碼的生成矩陣。本發(fā)明中的加密LDPC編碼器的輸出LDPC碼為 c＝[p s] 其中，s＝[s(1)s(2)...s(M)]為信息比特向量，p＝[p(1) p(2)...p(N-M)]為校驗(yàn)比特向量。
交織步驟130，按給定的順序?qū)⑿畔⒈忍叵蛄康脑嘏帕写騺y，且這種順序只有接收方通過密鑰知曉。對(duì)于某個(gè)給定的長(zhǎng)度，外置交織器的交織順序應(yīng)該是隨機(jī)的，以防止非法用戶獲取密鑰、對(duì)接收信息數(shù)據(jù)譯碼。本發(fā)明提出一種具有隨機(jī)正交特性的加密交織器，對(duì)于交織器的第i個(gè)輸入交織序列，存在一個(gè)長(zhǎng)度為N的無重復(fù)的隨機(jī)自然數(shù)序列ri＝{ri(m)}，1≤ri(m)，m≤N，共有N！種可能的交織形式，其設(shè)計(jì)步驟如下 步驟1設(shè)定交織器長(zhǎng)度為素?cái)?shù)N； 步驟2給定m＝1，從集合S＝{1，2，...，N}中隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)i1的概率為p(i1)＝1/N，將選擇的i1記為ri(1)，同時(shí)將i1從集合S中刪除，得到的新的集合記為S1。
步驟3在第k步，從集合Sk-1＝{i∈S，i≠i1，i2，...，iN-k+1}中隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)ik，其相應(yīng)的選取概率為p(ik)＝1/(N-k+1)，將選擇的ik記為ri(k)，同時(shí)將ik從集合Sk-1中刪除，得到的新的集合記為Sk。
步驟4當(dāng)k＝N時(shí)，得到ri(N)，相應(yīng)的選取概率為p(iN)＝1，SN＝Φ。
設(shè)外置交織器的第i個(gè)輸入序列ai(n)的元素位置編號(hào)為n，連續(xù)的非零自然數(shù)組成n＝1，2，…，N，則交織器的輸出序列的元素位置編號(hào)為ri(n)，n＝1，...，N。
對(duì)于外置交織器的第i個(gè)輸入序列ai(n)，i，n＝1，...，N，輸出序列為bi(ri(n))，i，n＝1，...，N，即 bi(ri(n))＝ai(n)，i，n＝1，...，N對(duì)于外置反交織器的第i個(gè)輸入序列為bi(ri(n))，i，n＝1，...，N，則輸出序列為ai(n)，i，n＝1，...，N，即 ai(n)＝bi(ri(n))，i，n＝1，...，N 需要補(bǔ)充說明的是，用于第一次加密的校驗(yàn)矩陣、用于第二次加密的擾亂交織信息可以通過人機(jī)交互的方式直接輸入，也可以通過密鑰管理器的軟件接口讀取。即，由人機(jī)交互輸入或由密鑰管理器的軟件接口讀取外置交織擾亂信息而對(duì)信息進(jìn)行外置交織擾亂，記錄下外置交織圖參數(shù)，并反饋給密鑰管理器形成第二密鑰；數(shù)據(jù)進(jìn)入LDPC編碼器，人機(jī)交互輸入校驗(yàn)矩陣參數(shù)或由密鑰管理軟件接口讀取校驗(yàn)矩陣參數(shù)，記錄下LDPC編碼器參數(shù)，并反饋給密鑰管理器軟件接口形成第一密鑰。
上述兩個(gè)變換公式給出了交織器的交織算法，順便也給出了解碼方法中，解交織的算法。通過上述處理，經(jīng)交織器輸出的碼字打亂了碼字中LDPC編碼中信息向量和校驗(yàn)向量，打亂后的信息子帶間的相關(guān)性減小，增強(qiáng)了密碼對(duì)攻擊的抵抗力，非法用戶更加難以破解；而且還可以通過改變交織圖的大小和設(shè)計(jì)原則起到更好的置亂效果和抗破譯效果。
本發(fā)明基于校驗(yàn)矩陣、交織器形成密鑰系統(tǒng)，對(duì)傳輸數(shù)據(jù)進(jìn)行了兩次軟加密，加密后的數(shù)據(jù)被解密后的滿足高保真性能的需求，并且具有很強(qiáng)的抗干擾能力，可以運(yùn)用在諸如軍事等電子對(duì)抗領(lǐng)域。
參照?qǐng)D2，為本發(fā)明器實(shí)施例的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)框圖，包括 參數(shù)預(yù)置模塊210，用于預(yù)置LDPC碼的校驗(yàn)矩陣、交織器的交織擾亂信息。
其中，LDPC碼的校驗(yàn)矩陣、交織器的交織擾亂信息的預(yù)先設(shè)置方式在上述基于LDPC碼的編碼方法中已經(jīng)做了詳細(xì)的說明，在此不再贅述。
編碼器密鑰管理模塊220，用于獲取第一密鑰和第二密鑰，所述第一密鑰依據(jù)所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣確定，所述第二密鑰依據(jù)所述交織擾亂信息確定。
編碼模塊230，用于解析所述第一密鑰，并確定LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，以對(duì)信源的信息比特序列進(jìn)行第一次加密。
交織模塊240，用于解析所述第二密鑰，并確定外置交織圖參數(shù)，以對(duì)第一次加密后的信息比特序列進(jìn)行第二次加密。
發(fā)送模塊250，用于發(fā)送第二次加密的信息比特序列；以及選擇發(fā)送所述第一密鑰和所述第二密鑰。
上述各個(gè)模塊的原理和功能與上述具有加密功能的LDPC碼的編碼方法相似，相似之處相互參考即可，在此不再贅述。
參照?qǐng)D3，圖3為本發(fā)明具有加密功能的LDPC碼的解碼方法實(shí)施例的步驟流程圖，該解碼方法用于解碼編碼方法生成的、第二次加密后的信息比特序列，包括如下步驟 步驟310，接收所述第二次加密后的信息比特序列；以及在編碼端發(fā)送所述密鑰的情況下，接收密鑰 步驟320，用于依據(jù)接收的所述密鑰或事先約定的密鑰，傳送所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣參數(shù)以及所述外置交織圖參數(shù)； 步驟330，接收傳送的所述外置交織圖參數(shù)，并依據(jù)所述交織圖參數(shù)對(duì)所述第二次加密后的信息比特序列進(jìn)行解交織； 步驟340，接收傳送的所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣參數(shù)，確定解碼校驗(yàn)矩陣，并依據(jù)所述解碼校驗(yàn)矩陣對(duì)所述解交織的信息比特序列進(jìn)行解碼。
參照?qǐng)D4，圖4為本發(fā)明具有加密功能的LDPC碼的解碼器實(shí)施例的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)框圖，包括 接收模塊410，用于接收所述第二次加密后的信息比特序列；以及在所述編碼裝置發(fā)送所述密鑰的情況下，接收密鑰； 解碼器密鑰傳送模塊420，用于依據(jù)接收的所述密鑰或事先約定的密鑰，傳送所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣參數(shù)以及所述外置交織圖參數(shù)； 解交織模塊430，用于接收所述解碼器密鑰管理模塊傳送的所述外置交織圖參數(shù)，并依據(jù)所述交織圖參數(shù)對(duì)所述第二次加密后的信息比特序列進(jìn)行解交織； 解LDPC碼編碼模塊440，用于接收所述解碼器密鑰管理模塊傳送的所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣參數(shù)，確定解碼校驗(yàn)矩陣，并依據(jù)所述解碼校驗(yàn)矩陣對(duì)所述解交織的信息比特序列進(jìn)行解碼。
下面通過三個(gè)實(shí)驗(yàn)來進(jìn)一步說明本發(fā)明的效果。這里使用圖像來作為加密數(shù)據(jù)源，當(dāng)然實(shí)際應(yīng)用中也可以是其它的類型。為對(duì)比效果，假設(shè)加密數(shù)據(jù)包是在無線傳輸過程中被截獲的。通過比較加密數(shù)據(jù)與原始數(shù)據(jù)，可以檢驗(yàn)出加密效果；通過比較合法用戶和非法用戶恢復(fù)數(shù)據(jù)，可以檢驗(yàn)密碼的抗攻擊性能。由于本發(fā)明提出的具有加密功能的LDPC編解碼器有糾錯(cuò)和抗干擾的功能，可將原始數(shù)據(jù)和強(qiáng)噪聲條件下的解密數(shù)據(jù)相比較，來檢驗(yàn)抗干擾性能。
為了方便關(guān)于本發(fā)明涉及的具有加密功能的LDPC碼誤碼率性能的系統(tǒng)仿真，系統(tǒng)仿真實(shí)驗(yàn)中發(fā)送的LDPC編碼序列采用BPSK調(diào)制，通過加性白噪聲(AWGN)信道傳輸，接收端采用BP迭代譯碼，最大迭代次數(shù)為20。仿真中每個(gè)信噪比觀測(cè)點(diǎn)采用500數(shù)據(jù)幀，每數(shù)據(jù)幀為1024比特。系統(tǒng)仿真中碼長(zhǎng)為1024，碼率為0.5。本發(fā)明方法編碼的LDPC碼在碼長(zhǎng)1024，碼率0.5時(shí)，系統(tǒng)仿真得到的本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的LDPC碼的誤碼率性能曲線，如圖5所示。LDPC碼長(zhǎng)1024，列重7，碼率1/2。其中，橫坐標(biāo)為信噪比，縱坐標(biāo)為誤碼率。圖5的曲線顯示按本發(fā)明方法設(shè)計(jì)的具有加密功能的LDPC碼誤碼率性能在2dB-2.5dB間出現(xiàn)好碼具有的“瀑布”特性。誤碼率曲線的“瀑布”特性指誤碼率曲線在某范圍內(nèi)迅速下降的特性，該特性只有好碼具備?！捌俨肌碧匦砸馕吨摯a在同等碼長(zhǎng)的情況下，具有較強(qiáng)的糾錯(cuò)能力。
實(shí)驗(yàn)1 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試LDPC糾錯(cuò)密碼加解密效果，測(cè)試非法用戶在沒有獲得正確密鑰試圖恢復(fù)密文的效果。
實(shí)驗(yàn)方法原始數(shù)據(jù)為一幅256×256圖像A1，見圖6。
經(jīng)LDPC糾錯(cuò)密碼加密后圖像B1，見圖7；合法用戶利用正確密鑰(外置交織器密鑰，LDPC碼校驗(yàn)矩陣H)解密圖像C1，見圖8；非法用戶在只獲得外置交織器密鑰而沒有LDPC碼校驗(yàn)矩陣H時(shí)試圖解密圖像C2，見圖9；非法用戶在只獲得LDPC碼校驗(yàn)矩陣H而沒有外置交織器密鑰時(shí)試圖解密圖像C3，見圖10。
通過本實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有加密功能的LDPC編解碼器具有很好的加解密效果，合法用戶能夠準(zhǔn)確地恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，而非法用戶只要得不到完整的密鑰都不能恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)2 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有加密功能的LDPC編解碼器加解密性能，以及非法用戶在沒有獲得正確密鑰時(shí)試圖恢復(fù)圖像的效果。
實(shí)驗(yàn)方法原始數(shù)據(jù)為一幅256×256的圖像A1，見圖11。經(jīng)本發(fā)明提出的LDPC加密系統(tǒng)加密后圖像B1，見圖12。合法用戶使用LDPC解密系統(tǒng)解密后圖像C1，見圖13，非法用戶使用錯(cuò)誤LDPC糾錯(cuò)密碼密鑰解密后恢復(fù)圖像C2，見圖14，非法用戶使用錯(cuò)誤交織圖恢復(fù)圖像C3，見圖15。
實(shí)驗(yàn)的具有加密功能的LDPC編解碼器由LDPC編碼器/解碼器、交織器/解交織器、密鑰管理接口等組成。
實(shí)驗(yàn)證明，本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有加密功能的密LDPC編解碼系統(tǒng)同樣具有很好的加解密效果，合法用戶可以準(zhǔn)確無誤的恢復(fù)原始數(shù)據(jù)，而非法用戶則無法恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)3 實(shí)驗(yàn)?zāi)康臏y(cè)試具有加密功能的LDPC碼對(duì)信道的抗干擾能力。
實(shí)驗(yàn)方法原始數(shù)據(jù)256×256一副圖像A1，見圖16。LDPC糾錯(cuò)密碼加密系統(tǒng)加密后圖像B1，見圖17。采用BPSK調(diào)制，信道為AWGN信道，在信噪比別為2.1db/2.3db/3db，LDPC糾錯(cuò)密碼解密系統(tǒng)解碼后圖像C1，見圖18，C2見圖19，C3見圖20。
實(shí)驗(yàn)證明使用本發(fā)明設(shè)計(jì)的具有加密功能的LDPC編解碼器在信道信噪比大于等于3db時(shí)，都能準(zhǔn)確無誤的恢復(fù)原始數(shù)據(jù)。
實(shí)驗(yàn)同時(shí)表明本發(fā)明提出的LDPC碼的編碼方法、解碼方法、編碼器和解碼器本身具備加密功能，無附加加密算法及其加密延遲和解密延遲。
如上所述，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)地說明，但是只要實(shí)質(zhì)上沒有脫離本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)及效果可以有很多的變形，這對(duì)本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說是顯而易見的。因此，這樣的變形例也全部包含在發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種具有加密功能的LDPC碼編碼方法，其特征在于，包括
編碼器密鑰獲取步驟，獲取第一密鑰和第二密鑰，所述第一密鑰依據(jù)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣確定，所述第二密鑰依據(jù)交織擾亂信息確定；其中，所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，所述交織擾亂信息是預(yù)先設(shè)置的參數(shù)；
編碼步驟，解析所述第一密鑰，并確定LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，以對(duì)信源的信息比特序列進(jìn)行第一次加密；
交織步驟，解析所述第二密鑰，并確定外置交織圖參數(shù)，以對(duì)第一次加密后的信息比特序列進(jìn)行第二次加密；
發(fā)送步驟，發(fā)送第二次加密的信息比特序列；以及選擇發(fā)送所述第一密鑰和所述第二密鑰。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有加密功能的LDPC碼編碼方法，其特征在于，所述校驗(yàn)矩陣為無4環(huán)矩陣。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的具有加密功能的LDPC碼編碼方法，其特征在于，所述校驗(yàn)矩陣H＝[Hb Ha]，其中，Ha為稀疏的隨機(jī)矩陣，Hb為雙對(duì)角線矩陣；所述LDPC碼的長(zhǎng)度為N，信息比特序列的長(zhǎng)度為M，校驗(yàn)矩陣H的維數(shù)為M×N，Ha的維數(shù)為M×(N-M)，形式為Ha＝[h(1)...h(N-M)]，Hb的維數(shù)為M×M，形式為
以及
所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣、通過如下步驟預(yù)先設(shè)置，包括
列重設(shè)置子步驟，設(shè)定校驗(yàn)矩陣H的列重為k；
第一檢測(cè)子步驟，將k個(gè)1隨機(jī)地放置在一M×1列向量上，令該列向量為h(1)＝[h(1，1)...h(M，1)]T；將h(1)＝[h(1，1)...h(M，1)]T和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hbh(1)]，檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(1)上，檢驗(yàn)是否滿足所述預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；若不滿足，繼續(xù)上述步驟，直到滿足所述預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為止；
第二檢測(cè)子步驟，將k個(gè)1隨機(jī)地放置在一M×1列向量上，令該列向量為h(2)＝[h(1，2)...h(M，2)]T，將h(1)、h(2)和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hbh(1)h(2)]檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(2)上，檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，若不滿足，繼續(xù)上述步驟，直到滿足所述預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為止；
第三檢測(cè)子步驟，對(duì)于i＝3，...，N，將k個(gè)1隨機(jī)地放置在M×1列，令該列向量為h(i)＝[h(1，i)...h(M，i)]T，將h(1)，h(2)，...，h(i)和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hbh(1)...h(i)]檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(2)上，檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，直到滿足為止；當(dāng)i＝N時(shí)，得到校驗(yàn)矩陣H。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的具有加密功能的LDPC碼編碼方法，其特征在于，所述交織擾亂信息通過如下步驟預(yù)先設(shè)置，包括
長(zhǎng)度設(shè)置子步驟，設(shè)置所述交織器長(zhǎng)度為素?cái)?shù)N；
交織擾亂信息設(shè)計(jì)子步驟，對(duì)所述交織器的第i個(gè)輸入的信息比特序列，確定交織擾亂信息
給定m＝1，從集合S＝{1，2，...，N}中隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)i1的概率為p(i1)＝1/N，將選擇的i1記為ri(1)，同時(shí)將i1從集合S中刪除，得到的新的集合記為S1；在第k步，從集合Sk-1＝{i∈S，i≠i1，i2，...，iN-k+1}中隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)ik，其相應(yīng)的選取概率為p(ik)＝1/(N-k+1)，將選擇的ik記為ri(k)，同時(shí)將ik從集合Sk-1中刪除，得到的新的集合記為Sk當(dāng)k＝N時(shí)，得到ri(N)，相應(yīng)的選取概率為p(iN)＝1，SN＝Φ
5.一種具有加密功能的LDPC碼編碼器，其特征在于，包括
參數(shù)預(yù)置模塊，用于預(yù)置LDPC碼的校驗(yàn)矩陣、交織器的交織擾亂信息；
編碼器密鑰管理模塊，用于獲取第一密鑰和第二密鑰，所述第一密鑰依據(jù)所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣確定，所述第二密鑰依據(jù)所述交織擾亂信息確定；
編碼模塊，用于解析所述第一密鑰，并確定LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，以對(duì)信源的信息比特序列進(jìn)行第一次加密；
交織模塊，用于解析所述第二密鑰，并確定外置交織圖參數(shù)，以對(duì)第一次加密后的信息比特序列進(jìn)行第二次加密；
發(fā)送模塊，用于發(fā)送第二次加密的信息比特序列；以及選擇發(fā)送所述第一密鑰和所述第二密鑰。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的具有加密功能的LDPC碼編碼器，其特征在于，所述校驗(yàn)矩陣為無4環(huán)矩陣。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的具有加密功能的LDPC碼編碼器，其特征在于，所述校驗(yàn)矩陣H＝[Hb Ha]，其中，Ha為稀疏的隨機(jī)矩陣，Hb為雙對(duì)角線矩陣；所述LDPC碼的長(zhǎng)度為N，信息比特序列的長(zhǎng)度為M，校驗(yàn)矩陣H的維數(shù)為M×N，Ha的維數(shù)為M×(N-M)，形式為Ha＝[h(1)...h(N-M)]，Hb的維數(shù)為M×M，形式為
以及
所述參數(shù)預(yù)置模塊進(jìn)一步包括校驗(yàn)矩陣獲取子模塊，包括
列重設(shè)置單元，用于設(shè)定校驗(yàn)矩陣H的列重為k；
第一檢測(cè)單元，將k個(gè)1隨機(jī)地放置在一M×1列向量上，令該列向量為h(1)＝[h(1，1)...h(M，1)]T；將h(1)＝[h(1，1)...h(M，1)]T和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hbh(1)]，檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(1)上，檢驗(yàn)是否滿足所述預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；若不滿足，繼續(xù)上述步驟，直到滿足所述預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為止；
第二檢測(cè)單元，用于將k個(gè)1隨機(jī)地放置在一M×1列向量上，令該列向量為h(2)＝[h(1，2)...h(M，2)]T，將h(1)、h(2)和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hb h(1)h(2)]檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(2)上，檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，若不滿足，繼續(xù)上述步驟，直到滿足所述預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)為止；
第三檢測(cè)單元，用于對(duì)于i＝3，...，N，將k個(gè)1隨機(jī)地放置在M×1列，令該列向量為h(i)＝[h(1，i)...h(M，i)]T，將h(1)，h(2)，...，h(i)和Hb構(gòu)成一校驗(yàn)矩陣H＝[Hbh(1)...h(i)]檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，如果不滿足，重新取k個(gè)1隨機(jī)地放置在h(2)上，檢驗(yàn)是否滿足預(yù)置檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，直到滿足為止；當(dāng)i＝N時(shí)，得到校驗(yàn)矩陣H。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的具有加密功能的LDPC碼編碼器，其特征在于，所述參數(shù)預(yù)置模塊進(jìn)一步包括交織擾亂信息獲取子模塊，包括
長(zhǎng)度設(shè)置單元，用于設(shè)置所述交織器長(zhǎng)度為素?cái)?shù)N；
交織擾亂信息設(shè)計(jì)單元，用于對(duì)所述交織器的第i個(gè)輸入的信息比特序列，確定交織擾亂信息
給定m＝1，從集合S＝{1，2，...，N}中隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)i1的概率為p(i1)＝1/N，將選擇的i1記為ri(1)，同時(shí)將i1從集合S中刪除，得到的新的集合記為S1；在第k步，從集合Sk-1＝{i∈S，i≠i1，i2，...，iN-k+1}中隨機(jī)選擇一個(gè)整數(shù)ik，其相應(yīng)的選取概率為p(ik)＝1/(N-k+1)，將選擇的ik記為ri(k)，同時(shí)將ik從集合Sk-1中刪除，得到的新的集合記為Sk當(dāng)k＝N時(shí)，得到ri(N)，相應(yīng)的選取概率為p(iN)＝1，SN＝Φ。
9.一種具有加密功能的LDPC碼解碼方法，用于解碼權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的編碼方法生成的、第二次加密后的信息比特序列，包括
接收步驟，接收所述第二次加密后的信息比特序列；以及在編碼端發(fā)送所述密鑰的情況下，接收所述第一密鑰和所述第二密鑰
解碼器密鑰傳送步驟，用于依據(jù)接收的所述密鑰或事先約定的密鑰，傳送所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣參數(shù)以及所述外置交織圖參數(shù)；
解交織步驟，接收傳送的所述外置交織圖參數(shù)，并依據(jù)所述交織圖參數(shù)對(duì)所述第二次加密后的信息比特序列進(jìn)行解交織；
解LDPC碼編碼步驟，接收傳送的所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣參數(shù)，確定解碼校驗(yàn)矩陣，并依據(jù)所述解碼校驗(yàn)矩陣對(duì)所述解交織的信息比特序列進(jìn)行解碼。
10.一種具有加密功能的LDPC碼解碼器，所述解碼器用于解碼權(quán)利要求5至8中任一項(xiàng)所述的編碼器發(fā)送的、第二次加密后的信息比特序列，包括
接收模塊，用于接收第二次加密后的信息比特序列；在編碼裝置發(fā)送所述密鑰的情況下，接收第一密鑰和第二密鑰
解碼器密鑰傳送模塊，用于依據(jù)接收的所述密鑰或事先約定的密鑰，傳送所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣參數(shù)以及所述外置交織圖參數(shù)；
解交織模塊，用于接收所述解碼器密鑰管理模塊傳送的所述外置交織圖參數(shù)，并依據(jù)所述交織圖參數(shù)對(duì)所述第二次加密后的信息比特序列進(jìn)行解交織；
解LDPC碼編碼模塊，用于接收所述解碼器密鑰管理模塊傳送的所述LDPC碼的校驗(yàn)矩陣參數(shù)，確定解碼校驗(yàn)矩陣，并依據(jù)所述解碼校驗(yàn)矩陣對(duì)所述解交織的信息比特序列進(jìn)行解碼。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種具有加密功能的LDPC碼編/解碼方法和編/解碼器。編碼方法包括獲取第一密鑰和第二密鑰，第一密鑰依據(jù)LDPC碼的校驗(yàn)矩陣確定，第二密鑰依據(jù)交織擾亂信息確定；其中，LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，交織擾亂信息是預(yù)先設(shè)置的參數(shù)；解析第一密鑰，并確定LDPC碼的校驗(yàn)矩陣，以對(duì)信源的信息比特序列進(jìn)行第一次加密；解析第二密鑰，并確定外置交織圖參數(shù)，以對(duì)第一次加密后的信息比特序列進(jìn)行第二次加密；發(fā)送第二次加密的信息比特序列；以及選擇發(fā)送第一密鑰和第二密鑰。本發(fā)明基于校驗(yàn)矩陣、交織器形成密鑰系統(tǒng)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行兩次軟加密，加密后的數(shù)據(jù)被解密后滿足高保真性能的需求，且有很強(qiáng)的抗干擾能力。
文檔編號(hào)H04L1/00GK101710852SQ200910237410
公開日2010年5月19日 申請(qǐng)日期2009年11月6日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月6日
發(fā)明者肖揚(yáng) 申請(qǐng)人:北京交通大學(xué)