專利名稱：用于確保無(wú)線傳輸安全的系統(tǒng)和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明大體涉及無(wú)線通信，確切地說(shuō)，涉及一種用于確保無(wú)線傳輸安全的系統(tǒng)和方法。
背景技術(shù)：
一般而言，確保信息傳輸安全通常涉及應(yīng)用安全技術(shù)，從而使竊聽(tīng)器幾乎很難檢測(cè)出向合法接收器傳輸?shù)膶?shí)際信息內(nèi)容。安全技術(shù)通常用于較高層網(wǎng)絡(luò)，例如，應(yīng)用層，其中安全應(yīng)用可在進(jìn)行實(shí)際傳輸之前為傳輸?shù)男畔?nèi)容提供安全保護(hù)。例如，安全應(yīng)用可以是要確保傳輸安全的用戶所執(zhí)行的程序。或者，安全應(yīng)用可以是硬件安全單元，可用于確保用戶使用發(fā)射器進(jìn)行安全傳輸。然而，較高層安全技術(shù)通常要求發(fā)射器(用戶)和接收器(合法接收器)共享一個(gè)密鑰。共享密鑰可能產(chǎn)生一些問(wèn)題，因?yàn)?，在此情況下，安全技術(shù)的安全性可能僅取決于共享密鑰時(shí)的安全性。

發(fā)明內(nèi)容
通過(guò)一種用于確保無(wú)線傳輸安全的系統(tǒng)和方法的實(shí)施例，大體上解決或避免這些和其它問(wèn)題，并大體上實(shí)現(xiàn)技術(shù)優(yōu)勢(shì)。根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例，本發(fā)明提供一種使用發(fā)射器傳輸安全消息的方法。所述方法包括使用保密代碼對(duì)消息進(jìn)行編碼以生成L個(gè)輸出碼字，其中L是大于I的整數(shù)；確定所述發(fā)射器與通信裝置之間信道的信道質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，以將L個(gè)輸出碼字中的一個(gè)碼字傳輸?shù)剿鐾ㄐ叛b置；以及針對(duì)所有剩余L-I個(gè)輸出碼字重復(fù)上述傳輸。所述保密代碼包括第一安全代碼(security code)和第二安全代碼。根據(jù)另一項(xiàng)實(shí)施例，本發(fā)明提供一種用于接收器操作的方法。所述方法包括接收包括L個(gè)接收信號(hào)矢量的安全傳輸，其中L是大于I的整數(shù)；以及根據(jù)所述L個(gè)接收信號(hào)矢量對(duì)安全消息進(jìn)行解碼。每個(gè)接收信號(hào)矢量在不同的傳輸中進(jìn)行接收，且上述解碼使用包括第一安全代碼和第二安全代碼的保密代碼。根據(jù)另一項(xiàng)實(shí)施例，本發(fā)明提供一種發(fā)射器。所述發(fā)射器包括調(diào)度器(scheduler)，其耦接到消息輸入端；安全單元，其耦接到所述調(diào)度器；安全代碼存儲(chǔ)裝置，其耦接到所述安全單元；以及傳輸電路，其耦接到所述安全單元。所述調(diào)度器用于布置向接收器傳輸安全消息的時(shí)序。所述時(shí)序基于所述發(fā)射器與所述接收器之間信道的信道質(zhì)量進(jìn)行調(diào)度。所述安全單元使用保密代碼將所述消息輸入端提供的消息編碼成L個(gè)輸出碼字，其中L是大于I的整數(shù)。所述保密代碼包括第一安全代碼和第二安全代碼。所述安全代碼存儲(chǔ)裝置存儲(chǔ)所述保密代碼，且所述傳輸單元準(zhǔn)備要傳輸?shù)妮敵龃a字。一項(xiàng)實(shí)施例的優(yōu)勢(shì)在于，可實(shí)現(xiàn)安全性，即使在所述發(fā)射器與竊聽(tīng)器之間的信道通常不差于甚至優(yōu)于所述發(fā)射器與合法接收器之間的信道也是如此。一項(xiàng)實(shí)施例的進(jìn)一步優(yōu)勢(shì)在于，經(jīng)由彼此獨(dú)立傳輸?shù)亩鄠€(gè)傳輸來(lái)傳播信息位，從而可保持安全性，即使竊聽(tīng)器攔截次數(shù)達(dá)到確定傳輸數(shù)量也是如此。確定傳輸數(shù)量可為安全系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)，并可根據(jù)所需安全級(jí)別、數(shù)據(jù)速率等進(jìn)行調(diào)整。上述內(nèi)容概述了本發(fā)明的特征和技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，從而有助于更好地理解下文對(duì)各項(xiàng)實(shí)施例的詳細(xì)說(shuō)明。下文將描述各項(xiàng)實(shí)施例的額外特征和優(yōu)點(diǎn)，這些內(nèi)容構(gòu)成了本發(fā)明的權(quán)利要求書的主題。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)了解，可輕易地基于所揭示的概念和具體實(shí)施例， 修改或設(shè)計(jì)用于實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的相同目的的其他結(jié)構(gòu)或過(guò)程。所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員還應(yīng)意識(shí)到，此類等效結(jié)構(gòu)并不脫離所附權(quán)利要求書中界定的本發(fā)明的精神和范圍。


為了更完整地了解本發(fā)明的各項(xiàng)實(shí)施例以及相應(yīng)優(yōu)勢(shì)，現(xiàn)結(jié)合附圖來(lái)參考以下說(shuō)明，其中圖I是搭線竊聽(tīng)信道(wiretap channel)模型的圖解；圖2是用于傳輸多條安全消息的合法信道的信道增益曲線的圖解；圖3a是具有物理層安全性的發(fā)射器的一部分的圖解；圖3b是具有物理層安全性的接收器的一部分的圖解；圖4a是傳輸安全消息過(guò)程中的發(fā)射器操作的流程圖；圖4b是傳輸L個(gè)安全消息段過(guò)程中的發(fā)射器操作的流程圖；圖5是用于傳輸單條安全消息的多個(gè)碼字的合法信道的信道增益曲線的圖解；圖6a是接收安全消息過(guò)程中的接收器操作的流程圖；圖6b是向發(fā)射器提供信道質(zhì)量信息過(guò)程中的接收器操作的流程圖；以及圖7是在K范圍內(nèi)針對(duì)兩種不同保密速率的攔截概率分布圖。
具體實(shí)施例方式下文將詳細(xì)討論對(duì)各項(xiàng)實(shí)施例的實(shí)施和使用。但應(yīng)了解，本發(fā)明提供可在各種具體上下文中體現(xiàn)的許多適用發(fā)明概念。所述具體實(shí)施例僅僅說(shuō)明用以實(shí)施和使用本發(fā)明的具體方式，而不限制本發(fā)明的范圍。各項(xiàng)實(shí)施例將在具體背景中進(jìn)行描述，所述具體背景即具有多個(gè)接收器的無(wú)線通信系統(tǒng)，所述多個(gè)接收器中至少一個(gè)是合法接收器且至少一個(gè)是竊聽(tīng)器，所述無(wú)線通信系統(tǒng)例如，兼容第三代移動(dòng)通信標(biāo)準(zhǔn)化伙伴項(xiàng)目長(zhǎng)期演進(jìn)(3GPP LTE)的通信系統(tǒng)、兼容WiMAX的通信系統(tǒng)等。圖I圖示了搭線竊聽(tīng)信道模型100。搭線竊聽(tīng)信道模型100包括發(fā)射器105，其通過(guò)第一通信信道(信道I) 115向合法接收器110傳輸消息(信息)。不過(guò)，鑒于無(wú)線通信的廣播性質(zhì)，竊聽(tīng)器120也可能通過(guò)第二通信信道(信道2) 125接收該消息。第一通信信道115可稱作合法信道,而第二通信信道125可稱作竊聽(tīng)器信道。衰落是無(wú)線通信的基本性質(zhì)。來(lái)自多條傳輸路徑的無(wú)線電在接收器上相互疊加或抵消以產(chǎn)生時(shí)變信道，例如，在發(fā)射器或接收器處于運(yùn)轉(zhuǎn)狀態(tài)的情況下。常用設(shè)計(jì)與分析模型稱作塊衰落模型，其中假定信道在每段相干時(shí)間內(nèi)保持恒定，且在不同相干時(shí)間內(nèi)獨(dú)立變化。
在不具有保密限制的標(biāo)準(zhǔn)通信中，衰落可能會(huì)造成非常不利的影響，尤其是在發(fā)射器無(wú)法獲得信道狀態(tài)信息(CSI)的情況下。不過(guò)，在發(fā)射器已知CSI的情況下，則可以利用CSI提高通信性能。根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例，提供一種利用無(wú)線信道的衰落性質(zhì)以及發(fā)射器所了解的合法信道，例如，信道115的信息來(lái)降低無(wú)線通信攔截概率的系統(tǒng)和方法。在不影響通用性的前提下，各項(xiàng)實(shí)施例假定合法信道和竊聽(tīng)器信道的衰落過(guò)程彼此獨(dú)立；以及發(fā)射器已知合法信道的某些信息。在通常情況下，假定發(fā)射器并不了解竊聽(tīng)器信道的任何信息(除了可能獲得的一些統(tǒng)計(jì)信息之外)。圖2圖示了用于傳輸多條安全消息的合法信道的信道增益曲線200的圖解。信道增益可為信道質(zhì)量的指數(shù)。如圖2所示，信道增益會(huì)隨時(shí)間而發(fā)生變化，即增加和減少。在特定時(shí)間，例如，與峰值205到208對(duì)應(yīng)的時(shí)間上，信道增益曲線200可能超過(guò)閾值τ (所示為虛線)。閾值τ可用于確保在合法信道處于或接近其峰值質(zhì)量時(shí)，向合法接收器進(jìn)行傳輸。通常，如果在傳輸時(shí)合法信道的質(zhì)量?jī)?yōu)于竊聽(tīng)器信道的質(zhì)量，則可以使用保密代碼來(lái)保護(hù)傳輸以防竊聽(tīng)器竊聽(tīng)。另一方面，如果在傳輸時(shí)合法信道的質(zhì)量低于竊聽(tīng)器信道的質(zhì)量，則竊聽(tīng)器能夠攔截合法信道上進(jìn)行的傳輸。鑒于發(fā)射器可能并不了解竊聽(tīng)器的信息，因此，可以設(shè)置較高閾值τ，以確保發(fā)射器僅在合法信道的質(zhì)量較高且很可能優(yōu)于竊聽(tīng)器信道的質(zhì)量時(shí)進(jìn)行傳輸。根據(jù)一項(xiàng)實(shí)施例，發(fā)射器可能選擇僅在信道增益超過(guò)閾值τ時(shí)向合法接收器進(jìn)行傳輸。因此，當(dāng)信道增益超過(guò)閾值τ時(shí)，發(fā)射器會(huì)向合法接收器傳輸安全消息，且當(dāng)信道增益低于閾值τ時(shí)，發(fā)射器不會(huì)向合法接收器傳輸安全消息。如圖2所示，發(fā)射器可以在每個(gè)峰值出現(xiàn)時(shí)向合法接收器傳輸不同的安全消息。不過(guò)，發(fā)射器可以隨時(shí)向合法接收器傳輸不安全消息，只要發(fā)射器允許在該時(shí)間上進(jìn)行傳輸。例如，峰值205可用于傳輸安全消息Α，峰值206可用于傳輸安全消息B，以此類推。這些不同的安全消息在由合法接收器接收后可進(jìn)行解碼。假設(shè)在發(fā)射器決定進(jìn)行傳輸時(shí)目標(biāo)保密速率為Rs，并假設(shè)使用保密代碼。盡管可以使用任何保密代碼，但優(yōu)選用保密容量實(shí)現(xiàn)代碼(secrecy-capacity-achieving code)。通常，保密容量實(shí)現(xiàn)代碼可為經(jīng)過(guò)優(yōu)化以實(shí)現(xiàn)最高可能保密速率的保密代碼。保密容量實(shí)現(xiàn)代碼的一個(gè)示例可為具有適當(dāng)碼本的分級(jí)代碼(bining code)。借助于保密容量實(shí)現(xiàn)代碼，當(dāng)且僅當(dāng)滿足以下條件時(shí)，則確保通信安全
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V iVo J V Iyο J其中g(shù)E是進(jìn)行傳輸時(shí)竊聽(tīng)器信道的信道增益，N0是背景噪聲功率，以及P是傳輸功率。因此，通信的攔截概率Pint可表示為
權(quán)利要求
1.一種用于通過(guò)發(fā)射器傳輸安全消息的方法，所述方法包括 使用保密代碼對(duì)消息進(jìn)行編碼以生成L個(gè)輸出碼字，其中所述保密代碼包括第一安全代碼和第二安全代碼，且L是大于I的整數(shù)； 確定所述發(fā)射器與通信裝置之間信道的信道質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，以將所述L個(gè)輸出碼字中的一個(gè)碼字傳輸?shù)剿鐾ㄐ叛b置；以及 針對(duì)所有剩余L-I個(gè)輸出碼字重復(fù)上述傳輸。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述標(biāo)準(zhǔn)是指所述信道質(zhì)量超過(guò)閾值。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一安全代碼將所述消息編碼成L個(gè)編碼位段。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第一安全代碼使用與所述消息無(wú)關(guān)的位序列K1對(duì)所述消息進(jìn)行編碼。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中所述第一安全代碼基于所述消息的線性編碼和所述序列K1生成中間安全碼字。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中所述中間安全碼字劃分成所述L個(gè)編碼位段。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第一安全代碼包括網(wǎng)絡(luò)安全代碼。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中所述第二安全代碼將編碼位段編碼成輸出碼字。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中所述第二安全代碼使用與第i個(gè)編碼位段無(wú)關(guān)的位序列K2i對(duì)所述第i個(gè)編碼位段進(jìn)行編碼，其中i是整數(shù)值。
10.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中所述第二安全代碼包括分級(jí)代碼。
11.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，進(jìn)一步包括從所述通信裝置接收反饋消息，其中所述反饋消息包括有關(guān)所述信道質(zhì)量的指示。
12.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中確定信道質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)包括 從所述通信裝置接收信號(hào)；以及 基于接收信號(hào)確定所述信道質(zhì)量。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中確定所述信道質(zhì)量包括 計(jì)算所述通信裝置與所述發(fā)射器之間的反向信道質(zhì)量；以及 根據(jù)所述反向信道質(zhì)量確定所述信道質(zhì)量。
14.一種用于接收器操作的方法，所述方法包括 接收包括L個(gè)接收信號(hào)矢量的安全傳輸，其中L是大于I的整數(shù)，且其中每個(gè)接收信號(hào)矢量在不同的傳輸中進(jìn)行接收；以及 根據(jù)所述L個(gè)接收信號(hào)矢量對(duì)安全消息進(jìn)行解碼，其中所述解碼使用包括第一安全代碼和第二安全代碼的保密代碼。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中對(duì)安全消息進(jìn)行解碼包括基于所述第二安全代碼從所述L個(gè)接收信號(hào)矢量生成中間安全碼字。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中生成中間安全碼字包括使用所述第二安全代碼將安全傳輸中的接收信號(hào)矢量解碼成編碼位段。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中生成中間安全碼字進(jìn)一步包括 對(duì)接收信號(hào)矢量重復(fù)進(jìn)行所述解碼，直到從所述L個(gè)接收信號(hào)矢量生成L個(gè)編碼位段；以及將所述L個(gè)編碼位段組合成所述中間安全碼字。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的方法，其中對(duì)安全消息進(jìn)行解碼進(jìn)一步包括基于所述第一安全代碼從所述中間安全碼字生成所述安全消息。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，進(jìn)一步包括向發(fā)射所述接收信號(hào)矢量的發(fā)射器傳輸反饋消息，其中所述反饋消息包括安全指數(shù)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中所述安全指數(shù)提供信道質(zhì)量信息。
21.—種發(fā)射器,包括 調(diào)度器，其耦接到消息輸入端，所述調(diào)度器用于布置向接收器傳輸安全消息的時(shí)序，其中所述時(shí)序基于所述發(fā)射器與所述接收器之間信道的信道質(zhì)量進(jìn)行調(diào)度； 安全單元，其耦接到所述調(diào)度器，所述安全單元用于使用保密代碼將所述消息輸入端提供的消息編碼成L個(gè)輸出碼字，其中L是大于I的整數(shù)，且其中所述保密代碼包括第一安全代碼和第二安全代碼； 安全代碼存儲(chǔ)裝置，其耦接到所述安全單元，所述安全代碼存儲(chǔ)裝置用于存儲(chǔ)所述保密代碼；以及 傳輸電路，其耦接到所述安全單元，所述傳輸電路用于準(zhǔn)備要傳輸?shù)妮敵龃a字。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的發(fā)射器，其中所述調(diào)度器用于在所述信道質(zhì)量超過(guò)閾值的情況下，調(diào)度輸出碼字的傳輸。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中所述第一安全代碼基于所述消息的線性編碼以及與所述消息無(wú)關(guān)的位序列生成中間安全碼字。
24.根據(jù)權(quán)利要求23所述的方法，其中所述第二安全代碼將中間安全碼字段編碼成輸出碼字。
全文摘要
本發(fā)明提供一種用于確保無(wú)線傳輸安全的系統(tǒng)和方法。一種用于通過(guò)發(fā)射器傳輸安全消息的方法包括使用保密代碼對(duì)消息進(jìn)行編碼以生成L個(gè)輸出碼字，其中L是大于1的整數(shù)值。所述保密代碼包括第一安全代碼和第二安全代碼。所述方法還包括在所述發(fā)射器與通信裝置之間信道的信道質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，將所述L個(gè)輸出碼字中的一個(gè)碼字傳輸?shù)剿鐾ㄐ叛b置；以及針對(duì)所有剩余L-1個(gè)輸出碼字重復(fù)上述傳輸。
文檔編號(hào)H04L9/14GK102640447SQ201180004574
公開(kāi)日2012年8月15日 申請(qǐng)日期2011年2月22日 優(yōu)先權(quán)日2010年2月26日
發(fā)明者俞菲·布蘭肯什布, 劉鐵 申請(qǐng)人:華為技術(shù)有限公司