一种基于鲁棒孤子分布的信道极化安全编码方法与流程

本发明属于无线物理层信道编码技术领域，涉及一种无线通信中保证信息安全传输的编码方法，具体是一种基于鲁棒孤子分布的信道极化安全编码方法。

背景技术：

数据安全、可靠、快速的传输是无线通信中的三个基本要素，如何保证数据在快速、可靠传输基础上的安全传输，是近年来无线通信中研究的热点问题。传统的无线数据安全传输基于密码学理论，其安全性建立在计算复杂度基础上。但是，随着人类可获得的计算资源快速提升，传统的基于密码学理论的安全通信方式面临巨大的挑战。近年来提出的物理层安全方法以信息论为基础，其从理论上证明了当信息传输速率低于安全容量时，可实现数据完全安全的传输，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，正常接收端为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，当主信道质量好于窃听信道质量时，存在大于零的安全容量，当信息传输速率低于安全容量时，可保证信息的绝对安全的传输。wyner定义了安全容量并证明了满足可靠性和安全性编码的存在性，但并没有给出实用的编码方案。研究设计逼近安全容量的安全编码方法也是无线物理层安全技术中的研究热点。

2007年，土耳其比尔肯大学教授e.arikan基于信道极化理论提出polar编码，该码是目前为止唯一可以达到香农极限的编码，并且具有较低的编译码复杂度。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。

在保证正常接收信道质量优于窃听信道质量的基础上，信道极化理论可很好的实现信息的安全传输。由于主信道质量优于窃听信道质量，相同码长情况下，信道极化后主信道的信息位长度要大于窃听信道信息位长度，因此，可将主信道与窃听信道信息位差的那些位放置待传输的安全信息位，此时，这些安全信息位进入了窃听信道的噪声信道，这些位对于窃听者来说完全是噪声，从而无法获取任何发送端信息。在此基础上，在主信道与窃听信道共同的信息位上，采用鲁棒孤子分布对待传输安全信息进行编码，由鲁棒孤子分布的特性可知，当接收端接收的信息数量小于译码所需的最小数量时，译码的误码率很高，窃听端得不到任何关于发送端的发送数据信息。

技术实现要素：

本发明的目的就是提出一种基于鲁棒孤子分布的信道极化安全编码方法，以解决无线通信中数据的安全传输问题，在保证信息完全安全传输的基础上，提升信息传输的效率。

本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：

一种基于鲁棒孤子分布的信道极化安全编码方法，包括如下步骤：

步骤一：发送端对待发送信息基于鲁棒孤子分布进行编码；

假设信息序列待发送信息序列，其长度为，主信道无噪信道位长度为，窃听信道无噪位长度为，则的长度可定义为。对位信息基于鲁棒孤子分布进行编码，鲁棒孤子分布的度分布函数为，

其中，表示输出符号节点度为1的平均值。则鲁棒孤子分布为：，其中，为了保证解码失败的概率小于，在接收端需要正确接收的编码符号数为。为理想情况下孤子分布：，。

从个输入符号中采用均匀分布选取个输入符号做模2和运算，得到输出符号，的长度为。

步骤二：对待发送数据进行polar编码；

发送端把长度为的输出符号当成信道极化编码的信息位，经过polar编码后变成长度为的发送序列，经调制后发送。编码公式可表示为：

其中为信道编码矩阵，为编码固定位的长度，。

步骤三：正常接收端和窃听端分别对所接收信息进行polar译码；

polar译码的方法为：首先采用串行抵消列表方法对接收到的信息进行polar译码，

其中hi:yⁿ×x^i-1→x,i∈s是一个判决方程：

步骤四：正常接收端和窃听端分别对接收信息序列进行置信传播译码；

正常接收端和窃听端分别对polar译码后的接收信息序列进行置信传播译码，恢复出发送信息序列。

对比现有技术，本发明的有益效果在于：

1）、安全性高：可保证信息的完全安全的传输；

2）、可靠性高：本方法采用polar编码，传输的信息速率理论上可接近香农限；

3）、有效性高：本发明提出基于鲁棒孤子分布的信道极化安全编码方法，避免了由于窃听信道传输随机信息的信息位，从而提升了传输的效率；

4）、编码复杂度低：polar的编码复杂度均为，基于鲁棒孤子分布的编码复杂度为。

附图说明

图1为本发明所设计的编码方法在经典窃听信道中应用的系统模型；

图2是鲁棒孤子分布的门限效应曲线；

图3是基于随机分布的信道极化安全编码帧结构；

图4是基于鲁棒孤子分布的信道极化安全编码帧结构。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步阐述：

图1为本发明所设计的编码方法在经典窃听信道中应用的系统模型，

设定发送端为alice，正常接收端为bob，窃听端为eve；

步骤一，alice对待发送信息基于鲁棒孤子分布进行编码；首先，alice对待发送信息进行分组，然后，对分组后的信息位基于鲁棒孤子分布进行编码；

假设信息序列待发送信息序列，其长度为，主信道无噪信道位长度为，窃听信道无噪位长度为。对位信息基于鲁棒孤子分布进行编码，鲁棒孤子分布的度分布函数为，

其中，表示输出符号节点度为1的平均值。则鲁棒孤子分布为：，其中，为了保证解码失败的概率小于，在接收端需要正确接收的编码符号数为。为理想情况下孤子分布：，。

从个输入符号中采用均匀分布选取个输入符号做模2和运算，得到输出符号，的长度为。

步骤二：对待发送数据进行polar编码；

alice把长度为nm的输出符号x当成信道极化编码的信息位，经过polar编码后变成长度为n的发送序列y，经调制、上变频后发送到信道中，传输信道可以为对称信道、删除信道、高斯信道或衰落信道，编码公式可表示为：

其中g(x)为信道编码矩阵，为编码固定位的长度，

步骤三：bob和eve分别对所接收信息进行polar译码；

首先，bob和eve分别对接收的信息进行下变频、调制后得到接收信息序列；

polar译码的方法为：采用串行抵消列表方法对接收到的信息进行polar译码，

其中hi:yⁿ×x^i-1→x,i∈s是一个判决方程：

bob对接收到的信息进行polar译码，可以极大的概率恢复出原始信息，并且保证了信息传输的可靠性与抗衰落性能，eve可在任意位置窃听，由于所接收的有效信息位达不到所恢复信息需要的数量，eve无法恢复出原始信息，从而保证了alice所发送信息的绝对安全。步骤四：bob和eve分别对接收信息序列进行置信传播译码；

即bob和eve分别对polar译码后的接收信息序列进行置信传播译码，恢复出发送信息序列

传输信息的子信道对于bob来说是无噪比特信道，所以bob在接收到信息序列后，通过译码算法可以获得高质量的信息序列；由于，传输信息的子信道对于窃听端来说部分是无噪信道，部分是全噪信道，又由于鲁棒孤子分布具有门限效应，当bob接收到的信息数量小于设定的门限值时，可解码的个数几乎为零；反之，当接收到的数据包个数大于设定的门限值时，所有的数据包都可解。因此，只要保证主信道传输信息的位数大于鲁棒孤子分布的门限值，同时eve信道传输信息的位数小于鲁棒孤子分布的门限值，即可保证信息的完全安全的传输，同时提升的数据传输的传输效率。

alice编码的长度必须大于bob可恢复信息的阈值，由于eve的通信容量小于bob，eve接收的一部分信息将转换为固定比特，这样eve接收到的信息长度小于可恢复信息的阈值，译码成功的概率基本接近于零。

图2给出了当传输信息位数为4096时鲁棒孤子分布的门限效应，其中，横坐标代表接收的编码包数目，纵坐标代表在此接收数目下，可解码的数据包数目；图中最右边的直线表示收到数据的个数为4506，即10%的额外开销。由图2可以看到，基于鲁棒孤子分布的编码方式具有明显的分组码的特征。当接收到的数据包个数小于某一门限时，本例中为4396，可解码的数据个数几乎为零；反之，当接收到的数据包个数大于4396时，几乎所有的数据包都可解。基于鲁棒孤子分布的编码的门限效应给本设计提供了译码性能上的保证。

图3是基于随机分布的信道极化安全编码帧结构，对于码长为的基带传输信息，令主信道polar编码的信息位的长度为，固定位的长度为，且有，经过信道极化后，正常接收端前位具有非常好的信道，后位可等效为噪声；窃听信道polar编码的信息位的长度为，固定位的长度为，经过信道极化后，正常接收端前位具有非常好的信道，后位可等效为噪声，且有。正常接收端信息位长度，窃听端信息位长度与帧总长度之间的关系为。对于正常接收端来说，若没有经过鲁棒孤子分布的polar编码，则正常接收端具有安全位，这位对于窃听端可看成噪声，把信息位放在这位上，可保证信息的传输安全。

图4是基于鲁棒孤子分布的信道极化安全编码帧结构，可以看出，经过鲁棒孤子分布的随机编码，正常接收端和窃听端的所有信息位均可传输信息，只要保证大于鲁棒孤子分布随机编码的解码阈值，付出的代价是需要增加的编码符号，而小于鲁棒孤子分布随机编码的解码阈值，此时同样可保证信息的安全传输。可以明显的看到，采用鲁棒孤子分布的polar编码后，可提升信息传输的码率，从而提升了发送端的编码效率。