[发明专利]一种基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法

摘要

本发明涉及一种基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法，属于信道编码及无线保密通信技术领域。所述方法包括：1)系统参数初始化；2)将待传输信息进行随机扰码；3)将随机扰码后的序列进行CRC校验；4)将CRC校验后的序列进行Polar编码；5)将Polar编码后的序列进行调制；6)将调制后的信号进行信号噪声一体化设计并送入信道；7)Bob端与Eve端接收信号，解调后分别输出软信息；8)Bob端与Eve端分别进行Polar译码；9)Bob端与Eve端分别进行解扰；10)Bob端与Eve端分别进行差错分析。所述方法在稍许增加编译码复杂度的前提下，可有效提升无线通信系统数据传输的安全性能，同时提升无线数据传输的抗突发干扰性能。

主权项

1.一种基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法所依托的系统基于Wyner窃听信道模型，主信道与窃听信道均为高斯信道或平坦衰落信道，其信道参数分别为hb和he，附加的噪声向量分别为nb和ne，假设窃听信道质量低于主信道的信道质量；Alice端配备Nt根发射天线，且知道主信道的信道参数，Alice端包含随机扰码器、Polar编码器和调制器；Bob端包含Bob端解调器、Bob端Polar译码器和Bob端解扰器；Eve端包括Eve端解调器、Eve端Polar译码器和Eve端解扰器；其特征在于：所述无线数据安全传输方法，包括如下步骤：步骤1、系统参数初始化，具体为：Alice端初始化，又包括如下子步骤：步骤1.1、Alice端的Polar编码器设置Polar编码的信息比特位数K与编码后比特位数N；步骤1.2、Alice端的随机扰码器生成随机扰码序列存储空间；步骤1.3、Alice端的Polar编码器生成Polar编码采用的生成矩阵；步骤1.4、Alice端的Polar编码器生成Polar编码比特反转的位置向量并确定CRC校验的生成多项式；步骤1.5、Alice端的Polar译码器定义Polar译码的路径度量搜索宽度L；步骤2、Alice端的随机扰码器将待传输的信息比特进行随机扰码，生成随机扰码后的序列；其中，待传输的信息比特，记为u；生成随机扰码后的序列，记为m；其中，经过步骤2随机扰码后，相邻两个比特位置变换后它们之间的距离至少为S，此随机扰码变换用公式(1)描述：其中，S为正整数，i和j分别表示第i个以及第j个元素的未经变换的位置，I(i)和I(j)分别表示经过原始序列中第i个元素以及第j个元素经过变换后的位置；步骤3、将步骤2生成的经过随机扰码后的序列进行CRC校验，生成CRC校验后的序列m′；其中，CRC校验位的长度为LC比特；信息位长度M与生成CRC校验后的序列即Polar编码的信息比特的位数K之间的关系为：K＝M+LC；步骤4、将步骤3输出的CRC校验后的序列m′在Polar编码器中进行Polar编码，得到Polar编码后序列；步骤4，包含如下子步骤：步骤4.1、Polar编码器基于CRC校验后的序列中比特值写入信息比特与固定比特，得到Polar编码码字；Polar的码字记为v′c，其码长为N，Polar编码码字中信息比特位数为K，固定比特位数为K’；信息比特与固定比特混合，分别按照信息比特位置矩阵中1的位置和0的位置对应提取并写入信息比特和固定比特；具体操作为：按照顺序判断信息比特位置矩阵中的当前位置为0还是为1，如果是0，则顺序写入1位固定比特；否则，如果当前位置为1，则顺序写入1位信息比特；步骤4.2、步骤4.1得到的Polar编码码字v′c乘以生成Polar编码矩阵，得到Polar编码后码字；Polar编码的生成矩阵记为Polar编码后码字，记为v′；步骤4.3、对Polar编码码字v′进行反序重排，得到Polar编码后序列v；步骤5、Alice端调制器将步骤4输出的经Polar编码后序列v进行调制，输出调制后符号x；步骤6、Alice端将步骤5输出的调制后符号x经过信号噪声一体化设计，输入到无线信道；步骤6，信号噪声一体化设计，包含以下步骤：步骤6.1、选取对应于hbhbH最大特征值的特征向量作为Alice发送信号矢量t；步骤6.2、选取hbhbH的剩余的Nt‑1个特征向量的线性组合作为人工噪声矢量η，人工噪声协方差矩阵为Cη＝E{ηηH}；其中，发送信号矢量t与人工噪声矢量η正交，人工噪声矢量η对应的人工噪声只影响窃听端Eve而不影响Bob端；步骤6.3、将发送信号总功率分成两部分P＝Ps+Pa；其中，P＝Tr{E{xxH}}为发射信号总功率，Ps为发送信号功率，Pa为人工噪声功率，假设d为Alice所发送的标量复信息符号，则Alice所发送的信号可用公式(2)描述：Bob端与Eve端的接收信号可用公式(3)表示：其中，yb是Bob端经无线信道发送的符号，ye是Eve端经无线信道发送的符号。Bob端与Eve端的接收信噪比可用公式(4)表示：步骤7、Bob端解调器和Eve端解调器分别接收步骤6中Alice端经无线信道发送的符号yb和ye并进行解调，输出解调后软信息；其中，符号y_b和y_e进行解调的解调方式与步骤5Alice端调制器的调制方式相同，记Bob端解调器解调后软信息即解调符号为记Eve端解调器解调后软信息即解调符号为步骤8、Bob端与Eve端分别接收步骤7输出的解调后软信息，分别经各自的Polar译码器进行Polar码译码，输出Polar码译码后的信息序列和其中，Polar码的译码包括如下子步骤：步骤8.1、设置初始二叉树存储空间；步骤8.2、将所有二叉树路径按照比特0或1扩展，并对每条二叉树路径赋度量值；步骤8.3、将二叉树路径按照由大到小的顺序排列；步骤8.4、保留L条度量值最大的二叉树路径；步骤8.5、判断路径长度是否达到编码后比特位数N，若是，则按照度量值从大到小的顺序输出各路径对应的长度为K的信息比特序列；若否，则返回步骤8.2，重新执行步骤8.2‑步骤8.5；步骤8.6、判断L是否大于1，若是，对各译码序列做CRC解校验，若校验通过，则输出序列，否则若CRC校验失败，则输出第一个序列作为译码结果；若否即L小于等于1，则输出步骤8.5按度量值排序中度量值最大的序列作为Polar码译码结果；步骤9、Eve端和Bob端将步骤8输出的Polar码译码后的信息序列在各自的解扰器中进行解扰，输出解扰后的序列，具体为：Bob端与Eve端分别对步骤8输出的Polar码译码后的信息序列进行解扰，进行CRC解校验输出解CRC校验后的信息序列和再按照步骤2生成的扰码向量对输出的序列进行解扰，在Bob端与Eve端分别输出解扰后的序列和具体实现时，分为两种情况：情况1、Eve端不知道Alice端随机扰码器产生扰码序列的方式，即Eve端对步骤2产生扰码序列的方式完全未知；情况2、Eve端知道Alice端随机扰码器产生扰码序列的方式，扰码可使低信噪比时的误码率接近于0.5，此时在Alice端产生人工噪声降低Eve端接收信噪比，使Eve端信噪比降至完全安全区域内，从而保证Bob端通信质量的前提下，保证信息传输的安全性；步骤10、计算Bob端和Eve端的译码输出的误码率和误帧率；具体为：比较输入序列u与Bob端输出序列计算Bob端误码率BER与误帧率FER；比较输入序列u与Eve端输出序列计算Eve端误码率与误帧率。