本發(fā)明涉及一種基于極化碼構(gòu)造的連續(xù)加密物理層安全傳輸方法，屬于安全技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

由于無線信道的廣播性質(zhì)，處于信號可接收范圍內(nèi)的用戶均可以對信號進(jìn)行接收并進(jìn)行處理，因此無線通信特別容易受到竊聽和模擬攻擊。近年來，隨著無線通信系統(tǒng)的高速發(fā)展，涉及實(shí)現(xiàn)信息傳播過程中的保密問題受到更多關(guān)注，而利用信道狀況從物理層實(shí)現(xiàn)信息的安全傳輸也成為物理層安全研究過程中的重要組成部分。20世紀(jì)70年代，wyner基于信息論方法構(gòu)建了“竊聽信道”模型，并分析了在不依賴交換密鑰的情況下建立幾乎完全安全的通信鏈路的可能性。物理層安全技術(shù)的研究正基于這一模型進(jìn)行。

極化碼是2009年由arikan提出的一種編碼方案，是信道編碼歷史上第一次一種理論上可達(dá)信道容量的編譯碼方案。2010年，e.hof等人將極化碼應(yīng)用在竊聽信道模型中，從安全通信的角度分析了極化碼，之后有數(shù)位專家學(xué)者研究了極化碼在物理層安全傳輸系統(tǒng)中的應(yīng)用。極化碼在退化竊聽信道中的構(gòu)造充分利用了竊聽信道是主信道的退化信道這一特征，由于主信道和竊聽信道的極化結(jié)果不同，編碼過程中僅在主信道為無噪而對于竊聽信道為全噪的比特信道傳輸有用信息，這些用來傳輸信息的比特信道被稱為安全比特信道。安全比特信道的數(shù)量取決于竊聽信道相對于主信道的退化程度，然而對于一般的竊聽信道來說退化程度有限，安全比特信道的數(shù)量也是有限的，因此現(xiàn)有的基于極化碼的退化竊聽信道方案大大限制了信息的傳輸能力，無法達(dá)到較高信息傳輸速率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對基于竊聽信道的退化特性設(shè)計(jì)極化碼編碼的物理層安全方法中存在的信息傳輸能力弱，即無法達(dá)到較高信息傳輸速率的問題，本發(fā)明提出一種基于極化碼構(gòu)造的連續(xù)加密物理層安全傳輸方法，該方法能夠保證信息傳輸?shù)目煽啃院桶踩?，并且極大地提高了現(xiàn)有方案的傳輸速率，提高了資源利用率。

本發(fā)明的實(shí)質(zhì)是通過在合法接收者好而竊聽者差的極化子信道集合(保密區(qū)間)中放置安全信息比特?cái)?shù)據(jù)，在合法接收者和竊聽者都好的極化子信道集合(公共區(qū)間)內(nèi)放置與安全信息比特?cái)?shù)據(jù)進(jìn)行線性處理后的其他信息比特，在合法接收者和竊聽者都差的極化子信道集合(凍結(jié)區(qū)間)放置凍結(jié)比特，從而實(shí)現(xiàn)連續(xù)安全加密的效果。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)：

一種基于極化碼構(gòu)造的連續(xù)加密物理層安全傳輸方法，采用竊聽信道模型，發(fā)送者alice發(fā)送數(shù)據(jù)，存在用戶bob為合法接收者，用戶eve為竊聽者；竊聽信道為主信道的退化信道，即竊聽者eve的信道容量小于主信道的信道容量。

一種基于極化碼構(gòu)造的連續(xù)加密物理層安全傳輸方法，包括以下步驟：

步驟1：對主信道和竊聽信道進(jìn)行極化操作，得到n條子信道，根據(jù)主信道與竊聽信道的信道條件將n條子信道分為三個集合：子信道集合a、子信道集合b和子信道集合c；

其中，bob和eve都可以成功解出的子信道集合a，稱之為公共區(qū)間，包含子信道個數(shù)為na；bob可以解出但eve不能解出的子信道集合b，稱之為保密區(qū)間，包含子信道個數(shù)為nb；bob和eve都不能成功解出的子信道集合c，稱之為凍結(jié)區(qū)間，包含子信道個數(shù)為nc；

步驟2：發(fā)送者alice生成待發(fā)送信息比特流，并隨機(jī)生成凍結(jié)比特，具體為：子信道集合a和子信道集合b中的子信道對應(yīng)待發(fā)送信息比特的子信道，其中子信道集合a對應(yīng)的信息比特向量為ha,其中元素個數(shù)為na；子信道集合b對應(yīng)的信息比特向量為hb，其中元素個數(shù)為nb；子信道集合c對應(yīng)凍結(jié)比特的子信道，凍結(jié)比特向量為hc，其中元素個數(shù)為nc；

步驟3：設(shè)計(jì)映射f:(ha,hb)→hs；

其中，ha是子信道集合a對應(yīng)的信息比特向量，hb是子信道集合b對應(yīng)的信息比特向量；hs是輸出，是根據(jù)映射關(guān)系生成的元素個數(shù)為na+nb信息比特向量，映射操作可能為以對ha和hb進(jìn)行模二和為主的操作；

步驟4：用步驟3生成的信息比特向量hs代替ha和hb向量，再映射到子信道集合a和子信道集合b中，子信道集合c對應(yīng)的步驟2中隨機(jī)生成的凍結(jié)比特向量hc不變，發(fā)送者alice根據(jù)上述子信道集合和分別對應(yīng)的信息比特向量配置進(jìn)行polar編碼；

步驟5：發(fā)送者alice對經(jīng)過步驟4polar編碼后的比特流進(jìn)行調(diào)制并映射到資源塊，并發(fā)送信號；

步驟6：合法接收者bob接收經(jīng)過信道傳輸?shù)牟襟E5發(fā)出的信號，解映射并解調(diào)后對信息進(jìn)行正常polar譯碼過程，得到polar譯碼后的信息比特集合

步驟7：對步驟6polar譯碼的信息比特集合進(jìn)行解映射得到信息比特向量ha和hb的估計(jì)值和

步驟8：對和進(jìn)行crc校驗(yàn)，若通過crc校驗(yàn)，則本次傳輸成功，alice發(fā)送下一數(shù)據(jù)集合，若未通過crc校驗(yàn)，則通知alice重傳此次數(shù)據(jù)；

至此，從步驟1到步驟8，完成了一種基于極化碼構(gòu)造的連續(xù)加密物理層安全傳輸方法。

有益效果

本發(fā)明提出的一種基于極化碼構(gòu)造的連續(xù)加密物理層安全傳輸方法，與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有如下有益效果：

1)相對于現(xiàn)有的極化碼安全傳輸方法，本方法利用了公共區(qū)間傳輸秘密信息，提高了頻譜利用率；

2)本發(fā)明提高了安全傳輸過程中的傳輸速率；

3)相對于采用密鑰的安全傳輸方案，本發(fā)明不需要在通信之前進(jìn)行合法收發(fā)雙發(fā)的密鑰共享。

附圖說明

圖1為本發(fā)明一種基于極化碼構(gòu)造的連續(xù)加密物理層安全傳輸方法alice發(fā)射信號產(chǎn)生及連續(xù)加密過程及bob接收信號及恢復(fù)信號過程流程圖；

圖2為本發(fā)明一種基于極化碼構(gòu)造的連續(xù)加密物理層安全傳輸方法中步驟4polar編碼完成后子信道分類示意圖；

圖3為本發(fā)明一種基于極化碼構(gòu)造的連續(xù)加密物理層安全傳輸方法的一個基于polar碼的編碼數(shù)據(jù)比特映射實(shí)例圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖與具體實(shí)施方式對本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

圖1是實(shí)現(xiàn)連續(xù)加密方式的流程圖，發(fā)送端通過利用安全區(qū)間傳輸數(shù)據(jù)的安全性，對公共區(qū)間進(jìn)行加密操作，使極化碼信息比特子信道在所有極化子信道中占比變大，可增強(qiáng)頻帶利用率，提升傳輸速率，接收端通過解碼后解映射恢復(fù)信號。

下面結(jié)合具體實(shí)施步驟說明如何應(yīng)用本發(fā)明如何通過構(gòu)造極化碼，在保證安全性的前提下，提升系統(tǒng)可靠性，提高傳輸速率：

步驟一：對主信道和竊聽信道進(jìn)行極化操作，得到n條子信道，根據(jù)主信道與竊聽信道的信道條件將n條子信道分為三個集合：bob和eve都可以成功解出的子信道集合a，包含子信道個數(shù)為na；bob可以解出但eve不能解出的子信道集合b，包含子信道個數(shù)為nb；bob和eve都不能成功解出的子信道集合c，包含子信道個數(shù)為nc；

步驟二：發(fā)送者alice生成待發(fā)送信息比特流長度為na+nb，并隨機(jī)生成凍結(jié)比特，凍結(jié)比特為長度為nc的全0序列。

子信道集合a和子信道集合b中的子信道對應(yīng)待發(fā)送信息比特的子信道，其中子信道集合a對應(yīng)的信息比特向量為其中元素個數(shù)為na；子信道集合b對應(yīng)的信息比特集合為其中元素個數(shù)為nb；子信道集合c對應(yīng)凍結(jié)比特的子信道，凍結(jié)比特集合為ic，其中元素為nc個0。

步驟三：設(shè)計(jì)映射f:(ia,ib)→is，輸入為子信道集合a和子信道集合b對應(yīng)的信息比特集合，輸出為根據(jù)映射關(guān)系生成的元素個數(shù)為na+nb信息比特集合。具體映射實(shí)例可為：

令向量向量映射的設(shè)計(jì)分三種情況進(jìn)行分析：

1)當(dāng)na＞nb時，將ha分割為個矩陣,其中[·]為取整數(shù)操作。分割后的矩陣為：對分割后的矩陣右乘矩陣hb′，得到則可以得到映射后的信息比特向量圖3展示了這一過程的具體實(shí)例。

2)當(dāng)na＝nb時，令則映射后的信息比特向量

3)當(dāng)na＜nb時，令則可以得到映射后的信息比特向量

步驟四：用步驟三中生成的信息比特集合hs代替ha和hb向量映射到子信道集合a和子信道集合b中，子信道集合c對應(yīng)的步驟二中全0向量hc不變，進(jìn)行極化碼編碼。

步驟五：在發(fā)送者alice端，對編碼后的碼字進(jìn)行調(diào)制然后映射到資源塊，并發(fā)送信號。

步驟六：在合法接收者bob端，接收經(jīng)過信道傳輸?shù)男盘?，解映射并解調(diào)后對信息進(jìn)行正常polar譯碼過程，得到譯碼后的信息比特集合

步驟七：對譯碼的信息比特集合進(jìn)行解映射將分為兩個向量解映射過程實(shí)際上式根據(jù)和恢復(fù)出ha的估計(jì)值該步驟分三種情況進(jìn)行討論：

1)當(dāng)na＞nb時，將分割為個矩陣,其中[·]為取整數(shù)操作。分割后的矩陣為：對分割后的矩陣右乘矩陣得到則可以得到解映射后的信息比特向量

2)當(dāng)na＝nb時，令則可以得到解映射后的信息比特向量

3)當(dāng)na＜nb時，令則可以得到解映射后的信息比特向量

步驟八：對和進(jìn)行crc校驗(yàn)，若通過crc校驗(yàn)，則本次傳輸成功，alice發(fā)送下一數(shù)據(jù)集合，若未通過crc校驗(yàn)，則通知alice重傳此次數(shù)據(jù)。

以上所述為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，本發(fā)明不應(yīng)該局限于該實(shí)施例和附圖所公開的內(nèi)容。凡是不脫離本發(fā)明所公開的精神下完成的等效或修改，都落入本發(fā)明保護(hù)的范圍。