[发明专利]一种弱化窃听信道下基于极化码的安全编码方法

说明书

本发明提供的是一种弱化窃听信道下基于极化码的安全编码方法。1：信道联合和分裂；2：信道排序；3：挑选信息比特信道集合和固定比特信道集合；4：确定安全信道和非安全信道；5：更新“秘钥”；6：得到密文序列；7：生成待编码序列；8：生成编码矩阵；9：编码；10：调制；11：过信道；12：解调；13：译码；14：找出“秘钥”和密文；15：更新“秘钥”；16：得到解密后的非安全信道发送信息的估计序列；17：还原发送端发送的信息序列。本发明采用安全信道发送的信息序列对非安全信道发送的信息加密，使用的加密秘钥是随机的不容易被破解，从而提高了系统的安全性，安全信道和非安全信道都用来发送信息比特节省了信道资源。

技术领域

本发明涉及的是一种窃听信道下的极化码加密通信方法。

背景技术

1975年，Wyner在shannon对安全通信问题研究的基础上，提出了窃听信道模型如图1所示。在图1中，Alice和Bob之间通过主信道传输秘密消息M,而窃听者Eve通过另一个被称作窃听信道的信道获取合法用户之间传输的消息Z,然后通过译码估计秘密消息Wyner研究中考虑窃听信道是主信道的退化信道的情形，推导出在退化窃听信道下安全通信系统可以用一个被称作安全容量的常数来描述。如果传输速率低于安全容量，则存在编码方法能够同时满足传输安全性和可靠性的要求；反之，如果传输速率超过安全容量，则任意的编码方法都不能同时满足安全性和可靠性的要求。

在退化窃听信道下的安全编码技术，通过设计一种编码方法，能同时实现传输可靠性和安全性的要求，使传输速率接近甚至达到系统的安全容量。极化码作为一种新型编码方法,在安全编码技术中得到了很好的应用。

极化码是Arikan在2007年提出的。这种编码方法来自Arikan早期关于提高信道中截止速率的工作。极化码的思想是在编码侧对输入比特采用特定的递归线性变换，而在译码侧则以特定的顺序进行连续消除译码,恢复传输信息。Arikan发现通过上述操作之后，发生了信道极化(Channel Polarization)现象，即一些比特所看到的等效比特信道要优于原始比特信道,而另一些比特看到的则比原始比特信道差。当码长逐渐增加时，这些看到的等效比特信道会趋近于完全无噪的比特信道，或趋近于完全噪声的比特信道，并且趋于完全无噪的比特信道占总体比特信道的比例趋近于信道容量。Arikan从信道极化现象中得到启发，提出了一种非常简明的编译码方法即极化码,并证明了釆用极化码的编码方法能够达到二元输入离散无记忆信道(Binary-Input Discrete Memoryless Channel,BDMC)的信道容量。

由于极化码具有较低的编译码复杂度，且具有信道容量可达性，Mahdavifar和Vardy首先把极化码应用在退化窃听信道下，假设信道均为BDMC信道。在极化编码过程中利用主信道和窃听信道之间的差异,通过信道极化选择对合法用户无噪而对窃听用户全噪的比特信道来传输秘密消息。此外，Mahdavifar和Vardy从极化码的性质入手，证明了在退化窃听信道下采用极化码的编码方法能够达到传输的可靠性和安全性。从极化码能达到BDMC信道的信道容量，推导出在退化窃听信道下采用极化码的编码方法能够渐近达到系统的安全容量。

在退化窃听信道下采用极化码进行安全编码的方法,为窃听信道下的安全编码问题打开了突破口，越来越多的研究者开始从极化码的角度研究在窃听信道下的安全编码方法，从而在物理层实现安全可靠通信。目前利用极化码对窃听信道编码的技术主要有两种，一种是找出信道极化后对合法用户无噪而对窃听用户全噪的比特信道来传输信息，但是该种方法丢弃了极化后对合法用户和窃听用户都属于无噪的比特信道，而且这些信道往往都是极化后信道容量较高的优秀信道，因此这种方法浪费了很大一部分信道资源。另一种常用的极化码对窃听信道编码的方法是找出信道极化后对合法用户无噪而对窃听用户全噪的比特信道来传输固定的“秘钥”，利用“秘钥”对发送的信息加密，加密后的信息通过极化后对合法用户和窃听用户都属于无噪的比特信道发送，这种方法“秘钥”是固定的一但被破解，发送的所有信息都将会被窃听。

发明内容