基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的安全通信系統(tǒng)與方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的安全通信系統(tǒng)與方法，屬于通信信息安全領(lǐng)域，該系統(tǒng)包括設(shè)置在發(fā)送端物理層的動(dòng)態(tài)矩陣編碼器，設(shè)置在接收端物理層的動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器，發(fā)送端與接收端通過主信道進(jìn)行通信，接收端通過公開有限反饋信道進(jìn)行反饋。該方法包括：在發(fā)送端，動(dòng)態(tài)矩陣編碼器根據(jù)接收端的反饋判定上一次信息分組是否成功發(fā)送，并基于上一次成功發(fā)送的明文序列生成發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣，得到發(fā)送碼字；在接收端，動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器根據(jù)上一次成功接收的明文序列生成接收端稀疏隨機(jī)矩陣，對(duì)本次的接收碼字進(jìn)行譯碼，得到對(duì)應(yīng)的接收明文，并進(jìn)行完整性檢驗(yàn)，將結(jié)果反饋給發(fā)送端。本發(fā)明可在無線差錯(cuò)信道下實(shí)現(xiàn)安全可靠的信息傳輸。
【專利說明】
基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的安全通信系統(tǒng)與方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明屬于通信信息安全領(lǐng)域，特別設(shè)及一種基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼 的安全通信系統(tǒng)與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著無線通信技術(shù)的迅猛發(fā)展和廣泛應(yīng)用，用戶對(duì)無線通信系統(tǒng)的傳輸可靠性和 信息安全性不斷提出新的要求。由于無線信道天然具有開放性和廣播性特點(diǎn)，極易受到干 擾與竊聽。如何設(shè)計(jì)安全可靠的無線通信系統(tǒng)已經(jīng)成為一個(gè)亟待解決的問題。
[0003] 在傳統(tǒng)的無線通信系統(tǒng)中，數(shù)據(jù)的安全性通過應(yīng)用層的加密算法保證，數(shù)據(jù)的可 靠性則通過物理層的糾錯(cuò)編碼保證。傳統(tǒng)的安全通信系統(tǒng)，如圖1所示，包括設(shè)置在發(fā)送端 應(yīng)用層的加密器W及物理層的信道編碼器，設(shè)置在接收端應(yīng)用層的解密器W及物理層的信 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:收發(fā)兩端在傳輸開始前，基于密鑰交換協(xié)議，秘密約定對(duì)稱密鑰k;公開約定固定的校驗(yàn) 矩陣化。在傳輸過程中，發(fā)送端利用對(duì)稱密鑰k對(duì)發(fā)送明文HU進(jìn)行加密，得到發(fā)送密文Cl;然 后利用校驗(yàn)矩陣化對(duì)發(fā)送密文進(jìn)行信道編碼，得到發(fā)送碼字Xi;將Xi發(fā)送到主信道上進(jìn)行傳 輸，接收端和竊聽端分別收到接收碼字yi和竊聽碼字Zi;接收端和竊聽端利用公開的校驗(yàn)矩 陣化進(jìn)行信道譯碼，分別得到接收密文C^i和竊聽密文C"1;接收端在已知對(duì)稱密鑰k的情況 下，對(duì)接收密文進(jìn)行解密，得到接收明文n/i;竊聽端在未知對(duì)稱密鑰k的情況下，利用破譯 算法對(duì)竊聽密文進(jìn)行破解，得到破譯明文m" 1。
[0004] 隨著計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力的不斷提升，W及量子計(jì)算等創(chuàng)新技術(shù)的發(fā)展，基于計(jì)算復(fù) 雜度的傳統(tǒng)加密算法將會(huì)受到越來越多的挑戰(zhàn)。因此，近些年來基于信息論的物理層安全 技術(shù)重新吸引了人們的興趣。其優(yōu)點(diǎn)包括：其一，可W兼容目前被廣泛使用的各種加密體 審IJ，如公鑰密碼體制與私鑰密碼體制；其二，提供的安全性不依賴于竊聽者的計(jì)算能力。一 種方案是利用秘密的信道編碼矩陣，收發(fā)兩端在傳輸開始前先通過已有的密鑰協(xié)商算法約 定秘密的校驗(yàn)矩陣，然后利用該矩陣進(jìn)行加密糾錯(cuò)聯(lián)合編碼。運(yùn)種方案的優(yōu)點(diǎn)在于不要求 主信道條件好于竊聽信道;運(yùn)種方案的缺點(diǎn)在于，其一，在傳輸開始前需要進(jìn)行密鑰協(xié)商， 增加了系統(tǒng)的復(fù)雜度;其二，由于秘密校驗(yàn)矩陣在傳輸過程中保持不變，竊聽者很容易通過 統(tǒng)計(jì)攻擊的方式破解出校驗(yàn)矩陣，從而造成明文的泄露，難W保證傳輸?shù)陌踩浴?br>[0005] 另一種方案是通過將發(fā)送碼字中的信息位進(jìn)行打孔或者與擾亂矩陣相乘的方式， 隱藏發(fā)送碼字中的信息位，使得當(dāng)竊聽者信道條件低于某一個(gè)閥值時(shí)，無法進(jìn)行譯碼。運(yùn)種 方案的優(yōu)點(diǎn)在于，其一，收發(fā)兩端不需要進(jìn)行密鑰協(xié)商，降低了系統(tǒng)的復(fù)雜度;其二，當(dāng)竊聽 者信道條件低于某一個(gè)閥值時(shí)，無法進(jìn)行譯碼，因此不會(huì)發(fā)生明文的泄露，從而保證了傳輸 的安全性。通常將系統(tǒng)正常工作時(shí)，主信道接收信號(hào)信噪比與竊聽信道接收信號(hào)信噪比的 差值稱為系統(tǒng)的安全間隔。運(yùn)種方案的缺點(diǎn)在于:系統(tǒng)正常工作需要的安全間隔較大。
[0006] 由上述分析可知，第一種方案不需要主信道條件優(yōu)于竊聽信道，但是收發(fā)兩端需 要額外的密鑰協(xié)商過程，同時(shí)傳輸?shù)陌踩噪yW得到保證;第二種方案收發(fā)兩端不需要額 外的密鑰協(xié)商過程，同時(shí)可W保證傳輸?shù)陌踩裕切枰^大的安全間隔。因此，上述兩 種方案均不能妥善的實(shí)現(xiàn)物理層信息安全可靠傳輸，難W滿足未來無線通信的需求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足之處，提出了一種基于公開有限反饋和動(dòng) 態(tài)矩陣編碼的安全通信系統(tǒng)與方法，可用于實(shí)現(xiàn)物理層信息安全可靠傳輸，滿足未來無線 通信系統(tǒng)的需求。
[0008] 本發(fā)明提出的基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的安全通信系統(tǒng)，其特征在于， 該系統(tǒng)包括設(shè)置在發(fā)送端物理層的動(dòng)態(tài)矩陣編碼器，設(shè)置在接收端物理層的動(dòng)態(tài)矩陣譯碼 器，發(fā)送端與接收端通過主信道進(jìn)行通信，接收端通過公開有限反饋信道進(jìn)行反饋。
[0009] 上述系統(tǒng)的通信方法在發(fā)送端的動(dòng)態(tài)矩陣編碼器與接收端的動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器之 間公開地約定稀疏隨機(jī)矩陣的構(gòu)造參數(shù)和動(dòng)態(tài)變化規(guī)則;在發(fā)送端，動(dòng)態(tài)矩陣編碼器根據(jù) 接收端的反饋判定上一次信息分組是否成功發(fā)送，并基于上一次成功發(fā)送的明文序列生成 發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣，用于對(duì)本次發(fā)送的明文序列進(jìn)行編碼，從而得到對(duì)應(yīng)的發(fā)送碼字;在 接收端，動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器根據(jù)上一次成功接收的明文序列生成接收端稀疏隨機(jī)矩陣，對(duì)本 次的接收碼字進(jìn)行譯碼，從而得到對(duì)應(yīng)的接收明文，并對(duì)接收明文進(jìn)行完整性檢驗(yàn)，隨后將 檢驗(yàn)結(jié)果反饋給發(fā)送端。具體包括W下步驟：
[0010] 1)收發(fā)兩端公開地約定稀疏隨機(jī)矩陣的構(gòu)造參數(shù)，包括:基礎(chǔ)校驗(yàn)矩陣化，大小為 meXiiB;用于拓展的循環(huán)右移單位置換方陣化的維數(shù)T;用于第一次傳輸?shù)男ｒ?yàn)矩陣化，大小 為郵T XdbT;郵，郵和T均為正整數(shù)；
[0011] 2)在發(fā)送端，對(duì)第i個(gè)發(fā)送明文HU生成r比特長(zhǎng)的完整性檢驗(yàn)序列并附加到發(fā)送明 文后，得到發(fā)送信息比特向量ki;其中，mi的長(zhǎng)度為1比特，1 =(郵-郵）? T-;r;ki的長(zhǎng)度為化k 特，k=(riB-郵）? T;i = l,2,. . . ,N，;r,N均為正整數(shù)；
[0012] 3)在發(fā)送端，對(duì)發(fā)送信息比特向量ki進(jìn)行糾錯(cuò)加密融合編碼，得到發(fā)送碼字XI，長(zhǎng) 度為n比特，n=mB ? T，n為正整數(shù)；
[0013] 4)發(fā)送端將發(fā)送碼字Xi在前向傳輸主信道上進(jìn)行傳輸，接收端隨后收到接收碼字 Yi,長(zhǎng)度為n比特；
[0014] 5)在接收端，對(duì)接收碼字yi進(jìn)行糾錯(cuò)解密聯(lián)合譯碼，得到接收信息比特向量k^i與 接收明文心1;其中，k/1長(zhǎng)度為化k特，n/1的長(zhǎng)度為1比特；
[0015] 6)在接收端，對(duì)接收明文n/i重新計(jì)算生成r比特長(zhǎng)的完整性檢驗(yàn)序列，若與k^i中 的完整性檢驗(yàn)序列相同，則產(chǎn)生反饋信號(hào)。=1，否則產(chǎn)生反饋信號(hào)fi = 〇,通過公開有限反 饋信道通知發(fā)送端。
[0016] 本發(fā)明的特點(diǎn)及有益效果：
[0017] 收發(fā)兩端的動(dòng)態(tài)矩陣編譯碼器根據(jù)傳輸?shù)拿魑男蛄型瓿上∈桦S機(jī)矩陣的同步動(dòng) 態(tài)更新，而竊聽端只能被動(dòng)跟蹤稀疏隨機(jī)矩陣的動(dòng)態(tài)變化，一旦出現(xiàn)接收端譯碼成功而竊 聽端譯碼失敗的情況，則由于竊聽端得到的明文序列中含有誤碼，因此不能得到正確的用 于下一次譯碼的稀疏隨機(jī)矩陣，在接下來的傳輸過程中，竊聽端均不能正確譯碼。從而保證 了信息的安全可靠傳輸。
[0018] 在本發(fā)明的安全通信系統(tǒng)中，收發(fā)兩端不需要額外的密鑰協(xié)商過程，從而降低了 系統(tǒng)的復(fù)雜度。稀疏隨機(jī)矩陣的產(chǎn)生依賴于發(fā)送的明文序列，由于明文序列的隨機(jī)特性，因 此竊聽者難W通過統(tǒng)計(jì)攻擊的方式破解稀疏隨機(jī)矩陣，從而保證了傳輸?shù)陌踩?。由于?道噪聲的隨機(jī)特性，在主信道條件不優(yōu)于竊聽信道條件時(shí)，仍然可W出現(xiàn)合法接收者譯碼 成功而竊聽者譯碼失敗的情況，此時(shí)竊聽者在接下來的傳輸過程中均不能正確譯碼，從而 極大減小了系統(tǒng)正常工作時(shí)的安全間隔。
【附圖說明】
[0019] 圖1為傳統(tǒng)的安全通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0020] 圖2為本發(fā)明的基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的安全通信系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。
[0021] 圖3為本發(fā)明系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)矩陣編碼器的結(jié)構(gòu)框圖。
[0022] 圖4為本發(fā)明系統(tǒng)中動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器的結(jié)構(gòu)框圖。
[0023] 圖5為本發(fā)明方法中稀疏隨機(jī)矩陣對(duì)應(yīng)的基矩陣化示意圖。
[0024] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中傳輸10000個(gè)碼字時(shí)，安全間隔Sg依次設(shè)置為OdB,0.2地與 0.5地的條件下，合法接收者與竊聽者的誤比特率曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0025] 本發(fā)明提出的一種基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的物理層安全通信系統(tǒng)與 方法，下面結(jié)合附圖及具體實(shí)施例進(jìn)一步詳細(xì)描述如下。
[0026] 本發(fā)明提出的一種基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的物理層安全通信系統(tǒng)，如 圖2所示，包括:設(shè)置在發(fā)送端物理層的動(dòng)態(tài)矩陣編碼器，設(shè)置在接收端物理層的動(dòng)態(tài)矩陣 譯碼器，發(fā)送端與接收端通過主信道進(jìn)行通信，接收端通過公開有限反饋信道進(jìn)行反饋。
[0027] 所述動(dòng)態(tài)矩陣編碼器，結(jié)構(gòu)如圖3所示，由動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器，完整性檢驗(yàn) 器和稀疏隨機(jī)矩陣編碼器構(gòu)成;其中：
[00%]動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器用于根據(jù)接收的反饋信號(hào)fi-i和上一次的發(fā)送明文mi-i， 利用收發(fā)兩端公開約定的稀疏隨機(jī)矩陣的構(gòu)造參數(shù)和構(gòu)造規(guī)則，生成用于本次編碼的發(fā)送 端稀疏隨機(jī)矩陣出；
[0029] 完整性檢驗(yàn)器用于通過已有的校驗(yàn)比特生成算法，對(duì)本次發(fā)送的明文序列HU計(jì)算 生成完整性校驗(yàn)比特并附加到發(fā)送明文序列后，得到發(fā)送信息比特向量ki;
[0030] 稀疏隨機(jī)矩陣編碼器利用動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器生成的發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣 出，對(duì)發(fā)送信息比特向量ki進(jìn)行編碼，得到發(fā)送碼字XI，作為所述動(dòng)態(tài)矩陣編碼器的輸出；
[0031] 所述動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器，結(jié)構(gòu)如圖4所示，由動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器，完整性檢驗(yàn) 器和稀疏隨機(jī)矩陣譯碼器構(gòu)成;其中：
[0032] 動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器用于根據(jù)發(fā)送的反饋信號(hào)fi-i和上一次的接收明文m /1-1，利用收發(fā)兩端公開約定的稀疏隨機(jī)矩陣的構(gòu)造參數(shù)和構(gòu)造規(guī)則，生成用于本次譯碼的 接收端稀疏隨機(jī)矩陣H^i;
[0033] 完整性檢驗(yàn)器用于通過已有的完整性校驗(yàn)比特生成算法，對(duì)本次接收的明文序列 n/ 1計(jì)算生成完整性校驗(yàn)比特，根據(jù)與接收信息比特向量k/1中的完整性校驗(yàn)比特比較結(jié)果， 產(chǎn)生反饋信號(hào)fi G {〇, 1 }，通過公開有限反饋信道通知發(fā)送端；
[0034] 稀疏隨機(jī)矩陣譯碼器利用動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器生成的接收端稀疏隨機(jī)矩陣 1，對(duì)接收碼字yi進(jìn)行譯碼，得到接收明文n/ 1，作為所述動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器的輸出；
[0035] 本發(fā)明提出的基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的物理層安全通信方法，其特征 在于，發(fā)送端的動(dòng)態(tài)矩陣編碼器與接收端的動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器之間公開地約定稀疏隨機(jī)矩陣 的構(gòu)造參數(shù)和動(dòng)態(tài)變化規(guī)則;在發(fā)送端，動(dòng)態(tài)矩陣編碼器根據(jù)接收端的反饋判定上一次信 息分組是否成功發(fā)送，并基于上一次成功發(fā)送的明文序列生成發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣，用于 對(duì)本次發(fā)送的明文序列進(jìn)行編碼，從而得到對(duì)應(yīng)的發(fā)送碼字;在接收端，動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器根 據(jù)上一次成功接收的明文序列生成接收端稀疏隨機(jī)矩陣，對(duì)本次的接收碼字進(jìn)行譯碼，從 而得到對(duì)應(yīng)的接收明文，并對(duì)接收明文進(jìn)行完整性檢驗(yàn)，隨后將檢驗(yàn)結(jié)果反饋給發(fā)送端.
[0036] 該方法具體包括W下步驟：
[0037] 1)收發(fā)兩端公開地約定稀疏隨機(jī)矩陣的構(gòu)造參數(shù)，包括:基礎(chǔ)校驗(yàn)矩陣化，大小為 meXiiB;用于拓展的循環(huán)右移單位置換方陣化的維數(shù)T;用于第一次傳輸?shù)男ｒ?yàn)矩陣化，大小 為郵T XdbT;郵，郵和T均為正整數(shù)；
[0038] 2)在發(fā)送端，對(duì)第i個(gè)發(fā)送明文HU生成r比特長(zhǎng)的完整性檢驗(yàn)序列并附加到發(fā)送明 文后，得到發(fā)送信息比特向量ki;其中，mi的長(zhǎng)度為1比特，1 =(郵-郵）? T-;r;ki的長(zhǎng)度為化k 特，k=(riB-郵）? T;i = l,2,. . . ,N，;r,N均為正整數(shù)；
[0039] 3)在發(fā)送端，對(duì)發(fā)送信息比特向量ki進(jìn)行糾錯(cuò)加密融合編碼，得到發(fā)送碼字XI，長(zhǎng) 度為n比特，n=mB ? T，n為正整數(shù)；
[0040] 3.1)對(duì)于首次傳輸過程，出=化;對(duì)于接下來的傳輸過程，當(dāng)上一次收到的反饋信 號(hào)f 1-1等于加寸，發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣保持不變，目陽1 =出-1;當(dāng)上一次收到的反饋信號(hào)fi-i等 于1時(shí)，動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器進(jìn)行出的更新;出大小為郵TXneT;
[004"1] 3.1.1)根據(jù)發(fā)送明文mi-i，計(jì)算得到哈希值hi = hash(mi-i)，其中hash( ?)表示通 用的哈希函數(shù)，哈希值hi的長(zhǎng)度為h=ji〇g2T比特，J為基矩陣化中的"r元素的個(gè)數(shù)；
[0042] 3.1.2)將哈希值hi劃分為包含J個(gè)數(shù)字的向量化i,i，hi,2,...山,j，...山,J)，其中 hi,jG {0，1，2,. . .，T-1}，是長(zhǎng)度為log2化k特的無符號(hào)整數(shù)；
[0043] 3.1.3)對(duì)于基矩陣化中的"0"元素，將其擴(kuò)展成大小為TXT的零矩陣化XT;
[0044] 3.1.4)對(duì)于基矩陣Hb中的T'元素，將其擴(kuò)展成大小為TXT的方陣化伯）；其中j為 "r元素按照從左到右，從上到下的編號(hào)，j=i，2,...，j;tj為第j個(gè)方陣對(duì)應(yīng)的偏置因子，tj = hi,j；
[0045] 3.2)稀疏隨機(jī)矩陣編碼器將步驟3.1)中產(chǎn)生的發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣出劃分為兩 個(gè)子矩陣，即出=[A，B]，其中，A的大小為mBTX(郵-郵)T;B的大小為mBTXmBT，且擴(kuò)l存在;然 后計(jì)算發(fā)送碼字Xi:
[0046] xi = ki ?化-1 ? A)t (1)
[0047] 4)發(fā)送端將發(fā)送碼字Xi在前向傳輸主信道上進(jìn)行傳輸，接收端隨后收到接收碼字 Yi,長(zhǎng)度為n比特；
[0048] 5)在接收端，對(duì)接收碼字yi進(jìn)行糾錯(cuò)解密聯(lián)合譯碼，得到接收信息比特向量k^i與 接收明文心1;其中，k/1長(zhǎng)度為化k特，n/1的長(zhǎng)度為1比特；
[0049] 5.1)對(duì)于首次傳輸過程，ITi =化;對(duì)于接下來的傳輸過程，當(dāng)上一次發(fā)送的反饋信 號(hào)f 1-1等于加寸，接收端稀疏隨機(jī)矩陣保持不變，即IT I = IT 1-1;當(dāng)上一次發(fā)送的反饋信號(hào)fi-i 等于1時(shí)，動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器進(jìn)行IT 1的更新。1大小為郵T X MT;
[0050] 5.2)利用步驟5.1)中產(chǎn)生的接收端稀疏隨機(jī)矩陣1，稀疏隨機(jī)矩陣譯碼器對(duì)接 收碼字yi進(jìn)行糾錯(cuò)解密聯(lián)合譯碼，得到接收信息比特向量k/1與接收明文心1;其中，k/1長(zhǎng)度 為化k特;n/i的長(zhǎng)度為1比特；
[0051] 5.2.1)計(jì)算接收碼字yi=(yi,i，yi,2,. . .，yi,s,. . .，yi,n)所對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)似然比向量 化尺如）=化11?如,1)，化1?如,2)，...，化1?如,3)，...，化1?如,。）），其中正整數(shù)8 = 1，2，...， 〇，化1?(71,3)為接收碼字中每個(gè)接收比特71,3對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)似然比化〇0，如式(2)所示：
[0 化 2]
(2)
[0053] 式(2)中，O2為信道中噪聲的方差;p(yi,SI Xi,S)為信道的轉(zhuǎn)移概率密度；由于信息 位沒有參與傳輸，將信息比特部分對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)似然比設(shè)置為零向量化Xk,最終得到初始對(duì)數(shù) 似然比向量LLRo = [OiXk，LLR(yi)];
[0054] 5.2.2)利用接收端稀疏隨機(jī)矩陣1，使用步驟5.2.1)中得到的初始對(duì)數(shù)似然比 向量化Ro,通過已有的稀疏隨機(jī)矩陣譯碼算法進(jìn)行譯碼；設(shè)置最大迭代次數(shù)為正整數(shù) itermax;當(dāng)?shù)螖?shù)小于itermax時(shí)，對(duì)每次迭代后得到的新的對(duì)數(shù)似然比向量化Rt進(jìn)行硬 判決，得到硬判決序列cT 1:若滿足校驗(yàn)方程IT 1 ? (cT i)T = 〇，則譯碼成功，結(jié)束迭代;否則繼 續(xù)迭代直到迭代次數(shù)等于itermax，然后對(duì)最后得到的對(duì)數(shù)似然比向量進(jìn)行硬判決，得到最 終硬判決序列di= [p/1，k/1] ;k/沖的前1比特即為接收明文心1;
[0055] 6)在接收端，對(duì)接收明文n/i重新計(jì)算生成r比特長(zhǎng)的完整性檢驗(yàn)序列，若與k^i中 的完整性檢驗(yàn)序列相同，則產(chǎn)生反饋信號(hào)。=1，否則產(chǎn)生反饋信號(hào)fi = 〇,通過公開有限反 饋信道通知發(fā)送端。
[0056] 本發(fā)明中安全可靠傳輸?shù)脑砣缦拢?br>[0057] 發(fā)送端用于對(duì)發(fā)送明文HU進(jìn)行糾錯(cuò)加密融合編碼的稀疏隨機(jī)矩陣出根據(jù)上一次的 發(fā)送明文mi-i產(chǎn)生;接收端用于對(duì)接收碼字/ 1進(jìn)行糾錯(cuò)解密聯(lián)合譯碼的稀疏隨機(jī)矩陣IT 1根 據(jù)上一次譯碼得到的接收明文n/1-1產(chǎn)生；竊聽端用于對(duì)接收碼字y"i進(jìn)行譯碼的稀疏隨機(jī) 矩陣H:.i根據(jù)上一次譯碼得到的竊聽明文m" 1-1產(chǎn)生?？紤]如下情況的發(fā)生:合法接收者譯 碼成功而竊聽者譯碼失敗，即HU-I = n/ 1-1聲m" 1-1，因Itl
在接下來的傳輸過程 中，竊聽者不能通過巧Ii譯碼得到正確的信息序列；同時(shí)由于信源的隨機(jī)特性，每一個(gè)發(fā)送 明文HU均對(duì)應(yīng)唯一的稀疏隨機(jī)矩陣出，因此竊聽者也難W通過統(tǒng)計(jì)攻擊的方式破解出，從而 保證了傳輸?shù)陌踩煽俊?br>[005引由于信道噪聲的隨機(jī)特性，無論主信道條件是否優(yōu)于竊聽信道，均會(huì)出現(xiàn)合法接 收者譯碼成功而竊聽者譯碼失敗的情況，此時(shí)竊聽者在接下來的傳輸過程中均不能正確譯 碼，從而極大減小了系統(tǒng)正常工作時(shí)的安全間隔。
[0059] 本發(fā)明提出的基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的安全通信系統(tǒng)與方法，下面通 過實(shí)施例進(jìn)一步進(jìn)行具體的說明。
[0060] 本實(shí)施例中需要發(fā)送N= 10000個(gè)明文序列，每個(gè)明文序列長(zhǎng)度1 = 992比特。采用 的基矩陣化如圖5所示，大小為64 X 96，即mB = 64,郵=96;循環(huán)右移單位置換方陣化的維數(shù)T =32;通過矩陣擴(kuò)展得到稀疏隨機(jī)矩陣出，大小為2048 X 3096;碼率R = 0.5，發(fā)送碼字長(zhǎng)度n = 2048。本實(shí)施例采用CRC-32算法作為完整性檢驗(yàn)比特生成算法，每次生成的檢驗(yàn)比特序 列長(zhǎng)度r = 32;采用甜A-256算法作為哈希值生成算法。本實(shí)施例中信息傳輸?shù)木唧w實(shí)施步 驟如下：
[0061] (1)發(fā)送端與接收端約定如圖5所示的基矩陣化，循環(huán)右移單位置換方陣化的維數(shù) T，用于第一次傳輸?shù)南∈桦S機(jī)矩陣化;其中，冊(cè)的基矩陣也為化，子矩陣的偏置因子為tj，其 中j為子矩陣按照從左到右，從上到下的編號(hào)，j = l，2,. . .，256，tj=(j2+j+l)mod256。
[0062] (2)在發(fā)送端，對(duì)每個(gè)發(fā)送明文mi生成r比特的完整性檢驗(yàn)序列并附加到發(fā)送明文 后邊，得到化k特的發(fā)送信息比特向量ki，k= 1024。
[0063] (3)在發(fā)送端，對(duì)每個(gè)發(fā)送信息比特向量ki進(jìn)行糾錯(cuò)加密融合編碼，得到對(duì)應(yīng)的n 比特發(fā)送碼字Xi。具體步驟包括：
[0064] (3.1)對(duì)于第一次傳輸過程，出=化;對(duì)于接下來的傳輸過程，當(dāng)上一次收到反饋信 號(hào)fi-i等于0時(shí)，出=出-1;當(dāng)上一次收到的反饋信號(hào)fi-i等于1時(shí)，動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器 根據(jù)發(fā)送明文mi-i實(shí)時(shí)進(jìn)行出的更新；
[0065] (3.2)稀疏隨機(jī)矩陣編碼器對(duì)發(fā)送明文HU進(jìn)行糾錯(cuò)加密融合編碼，得到n比特的發(fā) 送碼字Xi;
[0066] (4)發(fā)送端將發(fā)送碼字Xi發(fā)送到主信道上傳輸，隨后接收端得到接收碼字yi;
[0067] (5)在接收端，對(duì)接收碼字yi進(jìn)行解密糾錯(cuò)聯(lián)合譯碼，得到對(duì)應(yīng)的化k特接收明文 k/i;k/1的前1比特即為接收明文心1。具體步驟包括：
[0068] (5.1)對(duì)于第一次傳輸過程，ITi =化;對(duì)于接下來的傳輸過程，當(dāng)上一次發(fā)送的反 饋信號(hào)fi-i等于0時(shí)，I=IT 1-1;當(dāng)上一次發(fā)送的反饋信號(hào)fi-i等于1時(shí)，動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣 構(gòu)造器根據(jù)明文心1-1實(shí)時(shí)進(jìn)行IT1的更新；
[00例 （5.2)先計(jì)算得至化+11 = 3096維的初始對(duì)數(shù)似然比向量化獻(xiàn)=[01乂。，化1?如）]，再 通過稀疏隨機(jī)矩陣譯碼器進(jìn)行糾錯(cuò)解密聯(lián)合譯碼，得到化k特的接收信息比特向量k^i與1 比特的接收明文n/i;
[0070] (6)在接收端，對(duì)接收明文n/i計(jì)算對(duì)應(yīng)的r比特長(zhǎng)的完整性檢驗(yàn)序列，并與接收信 息比特向量k^i中完整性檢驗(yàn)序列進(jìn)行比較，如果相同，則產(chǎn)生反饋信號(hào)。=1，否則產(chǎn)生反 饋信號(hào)fi = 〇,然后將fi在公開有限反饋信道上進(jìn)行發(fā)送。
[0071] 本實(shí)施例的效果：
[0072] 在系統(tǒng)的安全間隔Sg依次為0地，0.2地與0.5地的條件下，合法接收者與竊聽者的 誤比特率曲線比較如圖6所示，縱坐標(biāo)為誤比特率(Bit Error Rate,B?。?，橫坐標(biāo)為比特信 噪比化b/No)。圖中帶正方形的實(shí)線為本實(shí)例中合法接收者的誤比特率曲線，帶圓圈的實(shí)線 為本實(shí)例中安全間隔Sg = O. 5dB時(shí)竊聽者的誤比特率曲線，帶上S角的實(shí)線為本實(shí)例中安 全間隔Sg = O. 2地時(shí)竊聽者的誤比特率曲線，帶下S角的實(shí)線為本實(shí)例中安全間隔Sg = OdB 時(shí)竊聽者的誤比特率曲線。從圖中可W看出，如果我們限定竊聽者誤比特率口限巧=化5， 則當(dāng)合法接收者的誤比特率口限if = 3 X1 iT7時(shí)，安全間隔Sg可W降低為0.5地；當(dāng)合法接收 者的誤比特率口限Zf =4xl(r6時(shí)，安全間隔Sg可W降低為0.2地;則當(dāng)合法接收者的誤比特 率口限皆=5:x:l(rW，安全間隔Sg可W降低為0地。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種基于公開有限反饋和動(dòng)態(tài)矩陣編碼的安全通信系統(tǒng)，其特征在于，該系統(tǒng)包括 設(shè)置在發(fā)送端物理層的動(dòng)態(tài)矩陣編碼器，設(shè)置在接收端物理層的動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器，發(fā)送端 與接收端通過主信道進(jìn)行通信，接收端通過公開有限反饋信道進(jìn)行反饋。2. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)矩陣編碼器由動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu) 造器，完整性檢驗(yàn)器和稀疏隨機(jī)矩陣編碼器構(gòu)成;其中： 動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器用于根據(jù)接收的反饋信號(hào)fi-i和上一次的發(fā)送明文mi-i，利用 收發(fā)兩端公開約定的稀疏隨機(jī)矩陣的構(gòu)造參數(shù)和構(gòu)造規(guī)則，生成用于本次編碼的發(fā)送端稀 疏隨機(jī)矩陣出； 完整性檢驗(yàn)器用于通過已有的校驗(yàn)比特生成算法，對(duì)本次發(fā)送的明文序列mi計(jì)算生成 完整性校驗(yàn)比特并附加到發(fā)送明文序列后，得到發(fā)送信息比特向量ki; 稀疏隨機(jī)矩陣編碼器利用動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器生成的發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣出，對(duì) 發(fā)送信息比特向量ki進(jìn)行編碼，得到發(fā)送碼字XI，作為所述動(dòng)態(tài)矩陣編碼器的輸出。3. 如權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征在于，所述動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器由動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu) 造器、完整性檢驗(yàn)器和稀疏隨機(jī)矩陣譯碼器構(gòu)成;其中： 動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器用于根據(jù)發(fā)送的反饋信號(hào)fi-l和上一次的接收明文π/ 1-1，利 用收發(fā)兩端公開約定的稀疏隨機(jī)矩陣的構(gòu)造參數(shù)和構(gòu)造規(guī)則，生成用于本次譯碼的接收端 稀疏隨機(jī)矩陣 完整性檢驗(yàn)器用于通過已有的完整性校驗(yàn)比特生成算法，對(duì)本次接收的明文序列π/ 1計(jì) 算生成完整性校驗(yàn)比特，根據(jù)與接收信息比特向量k^i中的完整性校驗(yàn)比特比較結(jié)果，產(chǎn)生 反饋信號(hào)f 1 e {〇，1}，通過公開有限反饋信道通知發(fā)送端； 稀疏隨機(jī)矩陣譯碼器利用動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器生成的接收端稀疏隨機(jī)矩陣H^i，對(duì) 接收碼字yi進(jìn)行譯碼，得到接收明文心1，作為動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器的輸出。4. 一種基于如權(quán)利要求1所述系統(tǒng)的安全通信方法，其特征在于，發(fā)送端的動(dòng)態(tài)矩陣編 碼器與接收端的動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器之間公開地約定稀疏隨機(jī)矩陣的構(gòu)造參數(shù)和動(dòng)態(tài)變化規(guī) 貝1J;在發(fā)送端，動(dòng)態(tài)矩陣編碼器根據(jù)接收端的反饋判定上一次信息分組是否成功發(fā)送，并基 于上一次成功發(fā)送的明文序列生成發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣，用于對(duì)本次發(fā)送的明文序列進(jìn)行 編碼，從而得到對(duì)應(yīng)的發(fā)送碼字;在接收端，動(dòng)態(tài)矩陣譯碼器根據(jù)上一次成功接收的明文序 列生成接收端稀疏隨機(jī)矩陣，對(duì)本次的接收碼字進(jìn)行譯碼，從而得到對(duì)應(yīng)的接收明文，并對(duì) 接收明文進(jìn)行完整性檢驗(yàn)，隨后將檢驗(yàn)結(jié)果反饋給發(fā)送端。5. 如權(quán)利要求4所述方法，其特征在于，該方法具體包括W下步驟： 1) 收發(fā)兩端公開地約定稀疏隨機(jī)矩陣的構(gòu)造參數(shù)，包括:基礎(chǔ)校驗(yàn)矩陣化，大小為meX 郵；用于拓展的循環(huán)右移單位置換方陣化的維數(shù)T;用于第一次傳輸?shù)男ｒ?yàn)矩陣化，大小為 郵T X ΠβΤ ; Ι?Β，郵和T均為正整數(shù)； 2) 在發(fā)送端，對(duì)第i個(gè)發(fā)送明文ΠΗ生成r比特長(zhǎng)的完整性檢驗(yàn)序列并附加到發(fā)送明文后， 得到發(fā)送信息比特向量ki;其中，mi的長(zhǎng)度為1比特，1 =(郵-郵）· T-r;ki的長(zhǎng)度為k比特，k = (郵-郵）.T;i = l，2，...，N，r，N均為正整數(shù)； 3) 在發(fā)送端，對(duì)發(fā)送信息比特向量ki進(jìn)行糾錯(cuò)加密融合編碼，得到發(fā)送碼字XI，長(zhǎng)度為η 比特，η=郵· Τ，η為正整數(shù)； 4) 發(fā)送端將發(fā)送碼字XI在前向傳輸主信道上進(jìn)行傳輸，接收端隨后收到接收碼字yi，長(zhǎng) 度為η比特； 5) 在接收端，對(duì)接收碼字yi進(jìn)行糾錯(cuò)解密聯(lián)合譯碼，得到接收信息比特向量k^i與接收 明文心1;其中，k/1長(zhǎng)度為化k特，π/ 1的長(zhǎng)度為1比特； 6) 在接收端，對(duì)接收明文π/1重新計(jì)算生成r比特長(zhǎng)的完整性檢驗(yàn)序列，若與k^i中的完 整性檢驗(yàn)序列相同，則產(chǎn)生反饋信號(hào)fi = l，否則產(chǎn)生反饋信號(hào)。=〇,通過公開有限反饋信 道通知發(fā)送端。6. 如權(quán)利要求5所述方法，其特征在于，所述步驟3)具體包括： 3.1) 對(duì)于首次傳輸過程，出=化;對(duì)于接下來的傳輸過程，當(dāng)上一次收到的反饋信號(hào)fi-i 等于0時(shí)，發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣保持不變，即出=化-1;當(dāng)上一次收到的反饋信號(hào)fi-i等于1 時(shí)，動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器進(jìn)行出的更新，出大小為πιβΤ X mT ; 3.2) 稀疏隨機(jī)矩陣編碼器將步驟3.1)中產(chǎn)生的發(fā)送端稀疏隨機(jī)矩陣出劃分為兩個(gè)子矩 陣，即出=[A，B ]，其中，A的大小為ι?βΤ X (郵-郵)T; B的大小為ι?βΤ X ι?βΤ，且擴(kuò)1存在;然后計(jì)算 發(fā)送碼字XI: xi = ki · (Β-1 · Α)τ (1)7. 如權(quán)利要求6所述方法，其特征在于，所述步驟3.1)具體包括： 3.1.1) 根據(jù)發(fā)送明文mi-i，計(jì)算得到哈希值hi = hash(mi-i)，其中hash( ·)表示通用的哈 希函數(shù)，哈希值hi的長(zhǎng)度為h = Jl〇g2T比特，J為基矩陣化中的"Γ元素的個(gè)數(shù)； 3.1.2) 將哈希值hi劃分為包含J個(gè)數(shù)字的向量化i,l山,2，...山,j，...山,J)，其中hiJe {0，1，2,. . .，Τ-1}，是長(zhǎng)度為log2化k特的無符號(hào)整數(shù)； 3.1.3) 對(duì)于基矩陣Hb中的"0"元素，將其擴(kuò)展成大小為T X T的零矩陣Οτχτ; 3.1.4) 對(duì)于基矩陣化中的"Γ元素，將其擴(kuò)展成大小為TXT的方陣化(tj);其中j為"Γ 元素按照從左到右，從上到下的編號(hào)，j = l，2,. . .，J;tj為第j個(gè)方陣對(duì)應(yīng)的偏置因子，tj = hi, j。8. 如權(quán)利要求5所述方法，其特征在于，所述步驟5)具體包括： 5.1) 對(duì)于首次傳輸過程，= 對(duì)于接下來的傳輸過程，當(dāng)上一次發(fā)送的反饋信號(hào) f 1-1等于0時(shí)，接收端稀疏隨機(jī)矩陣保持不變，即1 =H/ 1-1 ;當(dāng)上一次發(fā)送的反饋信號(hào)f 1-1等 于1時(shí)，動(dòng)態(tài)稀疏隨機(jī)矩陣構(gòu)造器進(jìn)行?Τι的更新，!Τι大小為郵ΤΧμΤ; 5.2) 利用步驟5.1)中產(chǎn)生的接收端稀疏隨機(jī)矩陣Η/1，稀疏隨機(jī)矩陣譯碼器對(duì)接收碼字 yi進(jìn)行糾錯(cuò)解密聯(lián)合譯碼，得到接收信息比特向量k/1與接收明文π/1;其中，k/1長(zhǎng)度為化k 特，π/1的長(zhǎng)度為1比特。9. 如權(quán)利要求8所述方法，其特征在于，所述步驟5.2)具體包括： 5.2.1)計(jì)算接收碼字71=(71,1，71,2，...，71,3，...，71,。)所對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)似然比向量化1? (yi) = (；LLR(yi,i)，lXR(yi,2)，. . .，LLR(yi,s)，. . .，lXR(yi,n))，其中正整數(shù)s = l，2, . . .，η, LLR(yi,s)為接收碼字中每個(gè)接收比特yi,s對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)似然比，如式(2)所示：(2) 式(2)中，為信道中噪聲的方差;p(yi,s 1x1,S)為信道的轉(zhuǎn)移概率密度；由于信息位沒有 參與傳輸，將信息比特部分對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)似然比置為零向量化Xk，最終得到初始對(duì)數(shù)似然比向 量化3〇=[〇1乂1<，化1?(7〇]; 5.2.2)利用接收端稀疏隨機(jī)矩陣Η/1，使用步驟5.2.1)中得到的初始對(duì)數(shù)似然比向量 LLRo,通過已有的稀疏隨機(jī)矩陣譯碼算法進(jìn)行譯碼;設(shè)置最大迭代次數(shù)為正整數(shù)itermax;當(dāng) 迭代次數(shù)小于itermax時(shí)，對(duì)每次迭代后得到的新的對(duì)數(shù)似然比向量化Rt進(jìn)行硬判決，得到 硬判決序列cT 1:若滿足校驗(yàn)方程1 · (cT ι)τ = 〇，則譯碼成功，結(jié)束迭代；否則繼續(xù)迭代直 到迭代次數(shù)等于itermax，然后對(duì)最后得到的對(duì)數(shù)似然比向量進(jìn)行硬判決，得到最終硬判決 序列di= [p/ 1，k/ 1] ;k/ 1中的前1比特即為接收明文心1。
【文檔編號(hào)】H04L9/08GK105978684SQ201610282641
【公開日】2016年9月28日
【申請(qǐng)日】2016年4月29日
【發(fā)明人】殷柳國(guó), 郝文濤
【申請(qǐng)人】清華大學(xué)