一种基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法与流程

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，属于无线通信、信道编码及保密通信技术领域。

背景技术：

随着无线通信技术的发展，如何保证数据更快速、更可靠、更安全的传输，一直是无线通信技术追求的指标。近年来提出的以信息论为基础的物理层安全方法，给出了在保证数据绝对安全、可靠传输的前提下信息传输速率的上界，为无线数据快速、可靠、安全的传输提供了一种新思路，成为当前无线通信的热点研究问题。

物理层安全技术中，wyner给出了窃听信道模型，假设发送端为alice，合法接收端为bob，窃听端为eve。alice与bob间的信道称为主信道，alice与eve间的信道为窃听信道，wyner给出了安全容量的概念，并从理论上证明了当传输速率小于安全容量时，可保证信息绝对安全与可靠的传输，但并没有给出实用的编码方案，研究具体实用的安全编码方法成为无线物理层安全技术中的研究热点。

2008年土耳其比尔肯大学教授e.arikan提出了基于信道极化理论提出polar编码，该码是目前唯一从理论上证明达到香农极限的编码，并且具有明确简单的编码译码方法，当前polar码的纠错性能超过目前广泛使用的turbo码和ldpc码，目前polar码作为我国华为公司的主推的信道编码方法，已被确定为5g移动通信中在embb场景的控制信道中的信道编码方法。这标志着polar码历史性的走进蜂窝移动通信系统。

polar码的理论基础即为信道极化，当组合信道的数目比较大时，一部分信道将趋于无噪信道，另外一部分信道将趋于全噪信道。此时，可将要传输的数据位放于polar编码的信息位，此部分信息将进入无噪信道中，将冗余位放于polar编码的固定位，此部分信息将进入全噪信道中，这样可使得所传输的数据速率达到最大。polar码的这一极化特性非常适合应用于wyner窃听信道中作为近安全容量限的安全编码方法，在保证数据传输可靠性的前提下，保证数据的安全传输。

信息传输过程中，对发送信息加扰，即对数字信号进行随机化处理，减少连0和连1的出现，不仅可扩展数字信号功率谱，还可增加信息传输抗突发干扰性能，同时可提升信息传输的安全性。扰码虽然改变了原始信息的顺序，但这种扰乱是有规律的，只要发送方与接收方约定扰码规则，在接收端是可以进行解扰操作的。完成扰码和解扰的电路分别称为扰码器和解扰器。

基于此，本发明拟在polar编码作为安全传输数据方法的基础上，辅以随机扰码方法，在稍许增加编译码复杂度的前提下，提升无线通信系统数据传输的安全性能，同时可提升无线数据传输的抗突发干扰性能。

技术实现要素：

本发明的目的是在保证无线通信系统中合法接收端通信可靠性与有效性的前提下，进一步提升数据传输的安全性，提出一种基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法。

所述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。

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；

步骤2具体采用s随机扰码器也称为半随机扰码器，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，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2，具体包括如下子步骤：

步骤2.1、选取正整数s，s越大，扰码性能越好，但s越大，扰码器的生成越困难，选取s的取值范围为设待扰码序列的长度为m，随机扰码后的序列的长度也为m；

步骤2.2、产生一个随机数i,其取值范围为1＜i＜m；

步骤2.3、把i与先前产生的第j个整数相比较，若|i(i)-i(j)|≥s，则保留新产生的整数i；若|i(i)-i(j)|＜s，则重新产生随机数i，直到满足|i(i)-i(j)|≥s为止；

步骤2.4、重复步骤2.2和步骤2.3，直到随机扰码器输出的随机扰码后的序列的m个位置均被填满，即生成了随机扰码后的序列m；

步骤2中随机扰码器随着数据的传输过程实时产生随机位置，即扰码序列中元素位置在数据传输过程中实时变化，这样保证了eve端在窃听过程中无法获得扰码器的有效信息，保证数据传输的安全性；

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；

优选的，调制方式为bpsk、qpsk、8psk、16qam、64qam以及256qam调制方式中的一种；

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hbhb^h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hbhb^h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{ηη^h}；

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eve端而不影响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{xx^h}}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端所发送的标量复信息符号，则alice端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yb和ye进行解调的解调方式与步骤5中alice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，步骤8中假定bob端与eve端已知alice端polar编码器的polar编码方式与反转规律；

步骤8中bob端与eve端的polar译码器的译码步骤相同，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，此时可在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，在保证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；

至此，经过步骤1到步骤10，实现了基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法。

有益效果

本发明提出一种基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法，与基于极化码的安全传输相比，具有如下有益效果：

1、本发明引入随机扰码辅助极化码保证无线数据的安全传输，在高信噪比时损失部分编码增益的基础上，可保证低信噪比时数据传输的绝对安全，即当合法接收端信道质量好于窃听信道质量的前提下，可保证eve获得的信息量为零，从而保证数据传输的绝对安全；

2、当eve无法获得alice扰码序列生成方式时，可保证bob可靠的通信，而eve得不到alice传输数据的任何信息，可保证信息传输的绝对安全；

3、在小幅增加编码复杂度的同时，能改善bob由于突发干扰引入的超出polar码纠错能力的纠错性能，提升bob在突发干扰情况下的数据传输的可靠性能；

4、本发明alice使用分组s-随机扰码方式，扰码序列较短，不需要耗费较多的存储空间。

附图说明

图1是本发明基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法的系统结构及连接关系示意图；

图2是本发明基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法的数据传输方法的流程图；

图3是本发明基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法中polar编码的帧格式；

图4是本发明基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法中bob与eve的ber与fer性能结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明一种基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法做进一步说明和详细描述。

实施例1

图1给出了本发明基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法的系统结构及连接关系示意图，alice端进行随机扰码，polar编码后将生成的符号调制后发射；bob与eve端分别接收序列，进行polar译码，解扰等工作。

本实例具体阐述了本发明实施过程中各步骤的具体情况，主要依据说明书主体中的步骤1到步骤10，数据传输流程如图2所示，具体操作步骤如下：

步骤a、初始化系统参数：设置信源符号数m＝104，crc校验序列长度lc＝24，crc编码后polar编码输入比特长度k＝128，polar码字长度n＝256，生成k-lc＝104字节的s随机扰码序列存储空间，图3给出了本例中基于随机扰码辅助的极化码编码具体帧格式。polar码生成矩阵为polar编码位置反转采用逆序反转方式。crc校验的生成多项式采用ltetdd系统的crc24a格式，定义polar译码串行抵消列表算法(scl)的路径度量搜索宽度l＝2；

步骤b、将待传输的信息比特u进行随机扰码，u的长度为m＝104，s随机扰码器长度产生一个随机数i,其取值范围为1＜i＜m，把i与先前产生的第j个整数相比较，若|i(i)-i(j)|≥s，则保留新产生的整数i；若|i(i)-i(j)|＜s，则重新产生随机数i，直到满足|i(i)-i(j)|≥s，重复上述步骤，直到扰码器的m个位置均被填满；

步骤c、将步骤b输出的经过随机扰码后的序列进行crc校验，生成的lc＝24位校验位放到m位信息位后，组成k＝m+lc＝128位的比特序列m′；

步骤d、将步骤3输出的经crc校验后的序列m′进行polar编码；

步骤d.1、polar编码信息位长度为k＝128，固定比特长度为k’＝128，混合信息位与固定位，得到码字v′c，v′c码长为n＝256；

步骤d.2、将码字v′c乘以生成矩阵得到编码后码字

步骤d.3、对码字v′进行反序重排，得到polar编码后序列v。

步骤e、将polar编码后的序列v进行调制，输出调制后的符号x；

步骤f、将经调制后的符号x经过信噪一体化设计输入到信道，bob接收到符号为yb＝hbx+nb，eve接收到符号为ye＝hex+ne；

步骤g、bob与eve端接收y，bob端解调后输出软信息其中σb²为主信道加性白噪声nb的功率谱密度，可根据bob端的接收信噪比计算；同样，eve端解调后输出软信息其中σe²为主信道加性白噪声ne的功率谱密度，可根据eve端的接收信噪比计算；

步骤h、bob端与eve端接收将步骤7输出的解调符号经polar译码器进行polar码译码，输出polar码译码后的信息序列；

步骤i、将步骤h输出的信息序列进行随机解扰，输出解扰后的序列；

bob与eve分别对步骤8输出的信息进行解扰，去除crc校验的24比特信息序列对输出的序列按照步骤2生成的扰码向量对输出的序列进行解扰，bob输出解扰后序列eve输出解扰后的序列

步骤j、差错分析

比较输入序列u与bob端输出序列计算bob端ber与fer；比较输入序列u与eve端输出序列计算eve端ber与fer。

情况1、eve不知道扰码序列产生方式时，alice所传输的信息对于eve来说是完全未知的，eve得不到任何关于alice传输的信息，由图4中的仿真结果来看，eve端在不同的snr情况下，ber均接近于0.5，fer均接近于1，说明此种情况下eve所获得的信息量为零；相比bob，随着信噪比的增加，ber与fer不断降低，可保证较好的可靠性。

情况2、eve知道扰码序列产生方式时，bob与eve的ber和fer性能类似，但在低信噪比区域，扰码可使ber接近于0.5，fer接近于1，此时在alice端产生人工噪声可降低eve端接收信噪比，使eve端信噪比降至完全安全区域内，在保证bob通信质量的前提下，保证信息传输的安全性。

至此，经过步骤a到步骤j，完成了基于随机扰码辅助的极化码无线数据安全传输方法的一则实施案例。

以上所述为本发明的较佳实施例而已，本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。