一种通过bsbc构建第一类窃听信道的方法
【专利摘要】一种通过BSBC构建第一类窃听信道的方法，合法接收者通过二进制对称广播信道向合法发送者发送反馈信息；合法发送者和窃听者各自收到受噪声干扰的合法接收者的反馈信息，合法发送者依据接收到的反馈信息对已编码的待发送信息进行处理，然后通过无差错的公共信道送出；合法接收者首先通过特定方式提取出软判决译码所需的比特对数似然比信息,然后通过软判决译码方式对收到的信息进行译码，降低主信道的错误比特率，提高信道可靠性，进而扩大主信道和窃听信道之间质量差异，提高第一类窃听信道的安全容量；窃听者被动窃听合法发送者发送的信息，并通过软判决译码的方式对收到的信息进行译码。本发明实现难度低，信道安全容量高，通信质量好。
【专利说明】
-种通过BSBC构建第一类窃听信道的方法
技术领域
[0001] 本发明属于通信安全技术领域，具体的说是一种通过BSBC构建第一类窃听信道的 方法。
【背景技术】
[0002] 随着信息技术的迅猛发展，私人信息和商业信息传输对无线通信网络的依赖性正 明显增强，由此衍生的通信系统自身安全问题的关注度也在迅速提高。基于开放系统互连7 层协议，传统通信系统的信息安全机制是建立在网络层及其W上各层，其核屯、技术是密钥 加密机制，其前提是协议底层的物理层已提供杨通且无错的传输链路，物理层信息安全问 题并未引起足够重视。然而，由于电磁信号传输环境的开放性和通用性，在发射功率的有效 覆盖范围内，任何拥有合适设备的第Ξ方都可悄然接入网络窃取他人信息，给无线通信的 私密性和安全性带来极大威胁。随着无线数据传输的高速化和无线业务的多样化，特别是 在具有"高转换、高密度W及高速度"要求的第五代移动通信系统场景中，信息窃取带来的 危害和损失难W估量。因此，相比于物理传输介质相对封闭的有线网络，无线通信网络的物 理层信息安全问题更加严重，对其研究迫在眉睫。
[0003] Wyner在1975提出了WTC-I模型，在WTC-I模型中，合法接收者与窃听者同时收到发 送方发送出的数据。在窃听者信道质量劣于主信道，即合法通信双方的信道在质量上要具 有优势的假设条件下，不依赖分享密钥，在传输速率不超过安全容量的前提下通过合理的 安全编码方案即可实现完美秘密通信。但是，窃听者信道质量劣于主信道的假设条件在实 际中很难保证，比如窃听者距离私密信息发送方很近，且接收天线功率极高，则能轻易保证 接收误码率低于合法接收者。该模型也只是证明了无条件安全通信的可实现性，并未提出 如何构建WTCW及合理的安全编码方案。可见，构建WTC和安全编码是无条件安全通信的两 大关键技术。
[0004] 目前，基于单天线通信系统构建WTC-I的研究并不多，作为国内首个单天线WTC-I 模型，中国专利乂N200910058796.5"公开的"由反馈和和LDPC码构建wire-tapr的发明专 利中提出的基于交互通信的WTC-I模型受到广泛关注，其实现过程具有两大显著特点：（1) 通过合理的算法设计在交互过程中将主信道的噪声转移到窃听者信道上，从根本上建立主 信道质量优势；（2)利用硬判决译码算法口限效应，实现主信道质量的改善优化和窃听者信 道质量退化保持，从而"放大"已经建立的信道质量优势。但是该方案仍有一些不足之处： (1)合法发送者需要借助有噪的公共信道进行信息的发送，因此必须通过降低信息传输速 率并结合强有力的纠错码等技术手段使得公共信道完全可靠，额外增加了系统实现的复杂 程度;（2)硬判决译码算法较弱的纠错能力导致主信道可靠性不高，使对已经建立的信道质 量优势的扩大效果并不明显，还会造成后续安全和可靠编码的最大安全传输速率上限不 局。
【发明内容】
[0005] 为了解决现有技术中的不足，本发明提供一种在二进制对称广播信道下，利用软 判决译码来替代硬判决译码，使主信道安全容量和可靠性更高的安全信道模型。
[0006] 一种通过BSBC构建第一类窃听信道的方法，合法接收者通过二进制对称广播信道 向合法发送者发送反馈信息;合法发送者和窃听者各自收到受噪声干扰的合法接收者的反 馈信息，合法发送者依据接收到的反馈信息对已编码的待发送信息进行处理，然后通过无 差错的公共信道送出，将无需安全保障的辅助信道选为无差错的公共信道，降低系统实现 的复杂程度;合法接收者首先提取出软判决译码所需的比特对数似然比信息，然后通过软 判决译码方式对收到的信息进行译码，降低主信道的错误比特率，提高信道可靠性，进而扩 大主信道和窃听信道之间质量差异，提高第一类窃听信道的安全容量;窃听者被动窃听合 法发送者发送的信息，并通过软判决译码的方式对收到的信息进行译码。
[0007] 本发明具体的实现步骤为： 步骤一、合法接收者随机产生价y;;个相互独立且各个比特等概的y长二进制序列接（ i <0,并将其通过二进制对称广播信道发送，合法发送者和窃听者分别收到/个序列 二和轉=歡皆，其中6;斗,:|和码为二进制对称广播信道的错误向量，。涕表 示模巧P，且.1</<兴-; 步骤二、合法发送者随机生成f-1个相互独立且各个比特等概的幾长二进制序列 巧备用，其中屯畜i竺置一}，;心这非如； 步骤Ξ、合法发送者利用逼近香农限的二元转，鸣线性分组码对待发送的怒长秘密信 息策进行编码后得到澀长信息序列窜d，1适巧姑；由位郝b，!由矜仁母生成第扩个紫长序 列
步骤四、将步骤二中的i个序列和步骤S中的島共?个汲长序列构成集合:1?把.掉句， 将k;.}中元素与集合{护^./引}中元素按照下标一一对应进行模巧日后得到集合f兵，吟陶!， 即;!，.=C '亩式，合法发送者将|片}由无差错的公共信道发送出去； 步骤五、假设窃听者对公共信道传输的信息也只是被动窃听，而不会对其进行篡改等 其他操作，则合法接收者和窃听者都能无差错地接收到·>!，合法接收者将自己在步骤一中 拥有的无差错序列集合雌与始沖序列进行整体模巧日，即将每个位置上对应的元 素进行模2和，得到幾长序列詞，心会f空衣，窃听者则将自己在步骤一中接收到的受噪声 干扰的序列集合擦佐/《母与齡中序列进行整体模巧日得到狀长序列护[焉]，:r鱼?在炎， 即
步骤六、首先，对于;:i這读费，?這i坦?，合法接收者和窃听者分别由如下的式（1)和式 (2)
计算?和摆的比特错误概率蜡和凌，其中气读为信道错误向量^的第;个比特;％为 "Γ的概率乂为信道错误向量g气f的欺个比特^泌为"Γ的概率，其次，对于梭緩憑，合 法接收者和窃听者分别由如下的式(3)和式(4)
计算关于的比特对数似然比值； 步骤屯、利用式(3)和式(4)求得的比特对数似然比值，合法接收者和窃听者分别采用 软判决算法进行译码后分别恢复化《长秘密信息X和寨。
[0008] 作为一种优选方案，步骤Ξ所述二元[Ν，κ]线性分组码为低密度奇偶校验码。
[0009] 作为一种优选方案，步骤屯所述的软判决算法为二进制对称广播信道下低密度奇 偶校验码的置信传播算法。
[0010] 有益效果:本发明选用无差错的公共信道作为合法发送者和合法接收者之间的辅 助信道，能够大幅降低系统实现的复杂程度;基于特定方式提取出比特对数似然比信息进 而采用软判决译码的构建方法能显著提高主信道的可靠性，而窃听者的比特错误概率在译 码前后基本保持不变，故合法通信者的信道质量优势得到极大地增强，从而增大了整个窃 听信道模型的安全容量，还能提高后续安全和可靠编码的最大安全传输速率的上限。
【附图说明】
[0011] 图1为物理层无条件安全通信模型示意图； 图2为基于交互通信的WTC-I (IWTC-I)模型示意图； 图3为仿真结果图。
【具体实施方式】
[0012] 本发明的【具体实施方式】为： 一种通过BSBC构建第一类窃听信道的方法，合法接收者(记为Bob)通过二进制对称广 播信道(BSBC)向合法发送者(记为Alice)发送反馈信息;合法发送者和窃听者(记为Eve)各 自收到受噪声干扰的合法接收者的反馈信息，合法发送者依据接收到的反馈信息对已编码 的待发送信息进行处理，然后通过无差错的公共信道送出，将无需安全保障的辅助信道选 为无差错的公共信道，降低系统实现的复杂程度;合法接收者首先通过特定方式提取出软 判决译码所需的比特对数似然比信息，然后通过软判决译码方式对收到的信息进行译码， 降低主信道的错误比特率，提高信道可靠性，进而扩大主信道和窃听信道之间质量差异，提 高第一类窃听信道的安全容量;窃听者被动窃听合法发送者发送的信息，并通过软判决译 码的方式对收到的信息进行译码。
[0013] 具体的实施步骤如下： 步骤一、Bob随机产生啡岂1)个相互独立且各个比特等概的欲长二进制序列培 鱼《，并将其通过BSBC发送，Alice和Eve分另〇收至。扩个序歹鸣篡气,和超敏蛛?，其 中y巧％=1? j为BSBC的错误向量/當'表示模巧P，且!<松或； 步骤二、Alice随机生成i-l·个相互独立且各个比特等概的长二进制序列洛 用，其中^ 步骤S、Alice利用逼近香农限的二元!帮斟线性分组码对待发送的《长秘密信息策； 进行编码后得到货长信息序列护W，梭j空装；由r和{%，!在/纷-I生成第^个劳长序 列
步骤四、将步骤二中的乎-}个序列和步骤Ξ中的C典f个劳长序列构成集合f皆1虽/空今， 将Μ中元素与集合:{如別對?中元素按照下标一一对应进行模巧Ρ后得到集合I故战巧绿， 即;龄节敏趕，Alice将(斯財无差错的公共信道发送出去； 步骤五、在Eve对公共信道传输的信息也只是被动窃听，而不会对其进行篡改等其他操 作的情况下，Bob和Eve都能无差错地接收到括3，Bob将自己在步骤一中拥有的无差错序列 集合搞叫与赫中序列进行整体模巧口，即将每个位置上对应的元素进行模巧口，得到 劳长序列名=跨j，l这?签或，Eve则将自己在步骤一中接收到的受噪声干扰的序列集合 :!接J乂夫補与!取}中序列进行整体模2和得到苑长序列护科，?签私盜海，即
步骤六、首先，对于I這i道災，！玄/空?，Bob和Eve分别由如下的式（1)和式(2)
计算占和若的比特错误概率苗和這，其中< 为信道错误向量的第於个比特e,为"Γ 的概率，钱，为信道错误向量的觀个比特为"1"的概率，其次，对于!惠犧见Bob和 Eve分别由如下的式(3)和式(4)
计算关于《的比特对数似然比值； 步骤屯、利用式(3)和式(4)求得的比特对数似然比值，Bob和Eve分别采用软判决算法 进行译码后分别恢复出*长秘密信息糸和度。
[0014] 作为一种优选方案，步骤Ξ所述二元[N，K]线性分组码为低密度奇偶校验码。
[0015] 作为一种优选方案，步骤屯所述的软判决算法为BSBC下低密度奇偶校验码的置信 传播算法。
[0016] 所述步骤六的理论依据为： 首先，由
>1知，站等于扩[板]中 包含'τ'的总量为奇数的概率，捧等于crfcy]和邸广(钱;I中包含"1"的总量为奇数的概率。
[0017] 其次，已知有定理:一个长二进制序列，如果其第J位是"Γ的概率为斯，那么整 个序列中包含奇数个"Γ的概率为：
^依据该定理可知：
(5)
(6) 其中^为信道错误向量咬的第?个比特％为1的概率，也为信道错误向量叩的第 个比特^为1的概率，1<_/;^/，1；1^^^式（5)和式（6)中的";，和知即为858(：的错误转移 概率。
[001引最后，WBob为例提取LLR值。由
守知，当爲马!时有
通过类似的方法，Eve可得出关于松的LLR值。
[0019] 由图3可知，本发明的理论结果和仿真结果吻合度较高，证明本发明的交互后比特 错误概率表达式完全可靠，据此提取的比特对数似然比值完全可信，由软判决译码构建第 一类窃听信道的方法完全可行且安全性高、性能好。
[0020] 虽然并未给出硬判决译码的仿真结果，但考虑到本领域公知的软判决译码算法性 能优于硬判决译码，因此可W得出W下结论:相对于采用硬判决译码的构建方法，本发明基 于特定方式提取比特对数似然比信息进而采用软判决译码使得主信道质量得到显著提升， 而窃听者的噪声水平仍然高于译码口限，故译码前后比特错误概率基本保持不变，故整个 窃听信道模型的安全容量得到显著提高。
【主权项】
1. 一种通过BSBC构建第一类窃听信道的方法，其特征在于:合法接收者通过二进制对 称广播信道向合法发送者发送反馈信息;合法发送者和窃听者各自收到受噪声干扰的合法 接收者的反馈信息，合法发送者依据接收到的反馈信息对已编码的待发送信息进行处理， 然后通过无差错的公共信道送出，将无需安全保障的辅助信道选为无差错的公共信道，降 低系统实现的复杂程度;合法接收者首先提取出软判决译码所需的比特对数似然比信息， 然后通过软判决译码方式对收到的信息进行译码，降低主信道的错误比特率，提高信道可 靠性，进而扩大主信道和窃听信道之间质量差异，提高第一类窃听信道的安全容量;窃听者 被动窃听合法发送者发送的信息，并通过软判决译码的方式对收到的信息进行译码。2. 如权利要求1所述的一种通过BSBC构建第一类窃听信道的方法，其特征在于，具体的 步骤为： 步骤一、合法接收者随机产生份个相互独立且各个比特等概的#长二进制序列的（ SO，并将其通过二进制对称广播信道发送，合法发送者和窃听者分别收到?个序列 和其中卜,|和《^=卜;丨为二进制对称广播信道的错误向量，"每"表示模 2和，且Λ' ； 步骤二、合法发送者随机生成r - ?个相互独立且各个比特等概的茨长二进制序列 ]备用，其中复/竺H，i 龙； 步骤三、合法发送者利用逼近香农限的二元(?轉线性分组码对待发送的尤长秘密信 息寘进行编码后得到:汉长信息序列eh:]，1没玄，；由名和1生成第纟个汉长序步骤四、将步骤二中的尤-1个序列和步骤三中的&共?个灰长序列构成集合 将中元素与中元素按照下标一一对应进行模2和，即将每个位置上对 应的元素进行模2和，然后得到集合|^,^芦$，即办，合法发送者将彳办丨由无差错 的公共信道发送出去； 步骤五、假设窃听者对公共信道传输的信息也只是被动窃听，而不会对其进行篡改等其他 操作，则合法接收者和窃听者都能无差错地接收到俗丨，合法接收者将自己在步骤一中拥有的 无差错序列集合'[秦?分轉与中序列进行整体模2和得到及长序列1=?，i:恝公灰， 窃听者则将自己在步骤一中接收到的受噪声干扰的序列集合丨中序列进行 整体模2和得到灰长序列七修]，i H，即步骤六、首先，对于1：￡?:算，1藉發，合法接收者和窃听者分别由如下的式⑴和式⑵计算6和J的比特错误概率g和<，其中为信道错误向量^的第i:个比特％为 T的概率，各.为信道错误向量Μ的第f个比特:《%为"Γ的概率，其次，对于衫:巧況， 合法接收者和窃听者分别由如下的式(3)和式(4)计算关于(6:的比特对数似然比值； 步骤七、利用式(3)和式(4)求得的比特对数似然比值，合法接收者和窃听者采用软判 决算法进行译码后分别恢复出龙长秘密信息i和泌。3. 如权利要求2所述的一种通过BSBC构建第一类窃听信道的方法，其特征在于:步骤三 所述二元[N，K]线性分组码为低密度奇偶校验码。4. 如权利要求2所述的一种通过BSBC构建第一类窃听信道的方法，其特征在于:步骤七 所述的软判决算法为二进制对称广播信道下低密度奇偶校验码的置信传播算法。
【文档编号】H04L25/03GK106059713SQ201610586991
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年7月25日 公开号201610586991.5, CN 106059713 A, CN 106059713A, CN 201610586991, CN-A-106059713, CN106059713 A, CN106059713A, CN201610586991, CN201610586991.5
【发明人】张高远, 文红, 周亮, 唐杰, 孙力帆, 廖润发, 顾浙骐, 郑国强, 冀保峰, 吴红海, 谢萍, 王斐, 宋梁, 付源鑫
【申请人】河南科技大学