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CN108234077A - 一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法 - Google Patents

一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法 Download PDF

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CN108234077A
CN108234077A CN201711436181.2A CN201711436181A CN108234077A CN 108234077 A CN108234077 A CN 108234077A CN 201711436181 A CN201711436181 A CN 201711436181A CN 108234077 A CN108234077 A CN 108234077A
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CN
China
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safe
key
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random sequence
password
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Application number
CN201711436181.2A
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English (en)
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王凯燕
张桂祥
王馨
张亘
胡飞
姜永广
田永春
曾浩洋
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CETC 30 Research Institute
Chengdu Westone Information Industry Inc
Original Assignee
CETC 30 Research Institute
Chengdu Westone Information Industry Inc
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Publication date
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Publication of CN108234077A publication Critical patent/CN108234077A/zh
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    • H04L9/08—Key distribution or management, e.g. generation, sharing or updating, of cryptographic keys or passwords
    • H04L9/0861—Generation of secret information including derivation or calculation of cryptographic keys or passwords
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Abstract

本发明公开了一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法，加密时发送端利用密钥通过密码器产生长度与待编码的信源长度相同的随机序列，利用不同的随机序列产生不同的删余序列进行不同方式的安全编码；解密时接收端首先利用密钥通过密码器产生随机序列，然后将接收到的比特信息利用随机序列进行区分后输入译码器进行译码。本发明方法不仅具有与3G/4G/5G等移动通信系统无缝集成的优点，而且不受传统安全编码必须在合法信道质量优于窃听信道质量的条件约束，该方法结合信息加密与信道编码的优势，在物理层通过保证授权双方的传输速率逼近安全容量，而窃听者无法获得任何私密信息，从物理层层面提升系统安全性。

Description

一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法
技术领域
本发明涉及一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法。
背景技术
随着计算机运算能力与运算速度的提升，3G/4G移动通信系统中基于计算复杂度的密钥体制安全性正日益受到挑战，物理层安全技术为保障无线网络信息安全提供了新的途径。Wyner在最初的物理层安全的奠基性的文献中已经证明了实现物理层安全传输编码的存在性，物理层安全编码需要同时保证信息传输的可靠性与安全性，现有的物理层安全编码根据对上述两种指标的不同侧重，主要分为合法信道无噪条件下的安全编码方法与合法信道有噪条件下的安全编码方法。
(1)合法信道无噪时的安全编码方法
物理层安全编码最初是针对有线通信网络。该网络中的物理层信息传输错误率较低，可以进一步通过高层校验、重传等机制实现合法信道无噪，因此设计时不用考虑可靠性约束，只需保证安全即可。当应用于无线通信网络时，部分研究认为可以利用波束赋形、点聚焦等功率控制方法实现等效的合法信道无噪条件。该方法需要保证合法信道无噪，离实际应用存在一定的差距。
(2)合法信道有噪时的安全编码
实际通信中，安全编码的设计不仅要保证私密信息在窃听信道的安全传输，还需要考虑其在合法信道的抗噪性能。目前合法信道有噪条件下的安全编码技术研究大多是在合法接收信噪比好于窃听接收信噪比这一假设前提下展开的，因此安全编码的设计对信道条件具有很强的依赖性。实际中，因为窃听者的空时特性未知，窃听信道的接收条件无法确定，窃听信道很可能好于授权信道，此时保密容量降低，安全编码也就不安全了。
发明内容
为了克服现有技术的上述缺点，本发明提供了一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法，不仅可有效解决安全编码对信道条件的依赖性问题，还可与现有移动通信系统无缝集成。本发明方法将信息加密和Turbo码一体化设计，由密钥通过密码器产生一个密码流来控制Turbo编码器中删余方式，同时对Turbo码的内交织器进行变参数随机化，设计安全删余Turbo编码方案。由于Turbo译码器对删余模式敏感，本方法中Turbo编码器动态删余机制保证了随机删余校验比特，因此保留了Turbo码高纠错能力的同时实现了私密信息的安全传输。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法，包括如下内容：
一、安全编码加密：发送端利用密钥通过密码器产生长度与待编码的信源长度相同的随机序列，并生成不同的交织序列进行内交织。利用不同的随机序列产生不同的删余序列，进行随机动态删余输出的安全编码；
二、安全编码解密：接收端首先利用密钥通过密码器产生随机序列，然后将接收到的比特信息利用随机序列进行区分后输入译码器进行译码，解交织器与发送端相同。
与现有技术相比，本发明的积极效果是：
本发明方法实现信息加密和信道纠错一体化设计，不仅具有与 3G/4G/5G等移动通信系统无缝集成的优点，而且不受传统安全编码必须在合法信道质量优于窃听信道质量的条件约束，该方法结合信息加密与信道编码的优势，在物理层通过保证授权双方的传输速率逼近安全容量，而窃听者无法获得任何私密信息，从物理层层面提升系统安全性。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为基于Turbo码的安全编码原理；
图2为译码器结构示意图；
图3为不同码率和调制方式下安全Turbo编码的误码性能。
具体实施方式
一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法，包括如下内容：
一、安全编码加密流程
物理层信号发送端处理流程通过在传统信号处理流程基础上引入密码器以及受密码控制的安全纠错编码的安全功能模块，实现信息加密和信道纠错一体化设计，提升物理层安全能力。
其安全编码原理如图1所示，分量编码器RSC的约束长度为K，生成多项式长度为M＝K-1，表示为G1＝[g10,g11,…,g1,K-1]， G2＝[g20,g21,…,g2,K-1]。可以得到对于第dk个信源比特，输出为：
Xk＝dk
在本加密方法中，通过密码控制编码器中的删余器，意味着不同的随机序列会产生不同的删余序列，为了保证Turbo码的纠错可靠性能，编码码率从1/2到1/3进行动态变化。同时考虑在某些应用环境中，为了保证传输速率，通过控制编码步骤如下：
(1)假设密钥为k；
(2)将利用密钥k通过密码器生成密码作为初始值，生成序列均值为0，方差为d的整数随机序列P，P的长度与待编码的信源长度相同；
(3)利用密钥k通过密码器生成交织序列，长度与待编码的信源长度相同，用于Turbo码内交织器；
(4)根据P(i)值是否等于0，来决定删除哪一路分量码的编码器输出序列，从而改变传统固定删余方式。
由于方差d决定了随机序列P中0的个数，d越大，删余后的码率越小，但同时也意味着安全性能越好，见表1。当d为0时，随机删余机制就退化为一般Turbo码的周期性删余，码率为1/2，信息无法被加密。因此，必须选择一个合适的d，才能既保证可靠性，又兼顾安全性。
表1安全编码方式一中不同方差下对应的编码码率
标准方差d 0 0.25 0.3 0.4
码率r 0.5 0493 0.482 0.461
二、安全编码解密流程
物理层信号接收端处理流程同样在传统信号接收端处理流程基础上引入密码器以及受密码控制的安全编码解密译码模块，实现信号解密。
解密译码时，接收端首先通过密钥k产生随机序列P，并且在不同安全编码方式中，根据P区分接收到的Xi，Y1i以及Y2i。然后将接收比特信息输入译码器，结构如图2所示。Xi、Y1i输入第一个分量译码器(DEC1)，Xi、Y2i输入第二个分量译码器(DEC2)，Turbo译码器进行迭代译码过程。译码采用Log-MAP算法，算法具体不在赘述。在译码过程中，如果接收者根据一个错误的随机序列P，那么他无法区分Xi，Y1i以及Y2i，导致译码失败。只有合法的接收者才能产生正确的序列，得到正确的译码结果。
在合法用户和窃听用户接收相同信号、窃听者知悉编码码率信息的条件下，不同码率和调制方式下安全Turbo编码方式二的误码性能如图3所示。本方法以误码率性能为准则对安全Turbo码的安全性和可靠性进行了分析，(1)合法用户上的安全Turbo码不存在性能损失； (2)窃听用户即使在信道条件较好的情况下，其接收误码率仍然较高，难以正确恢复其窃听信息。

Claims (4)

1.一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法，其特征在于：包括如下内容：
一、安全编码加密：发送端利用密钥通过密码器产生长度与待编码的信源长度相同的随机序列，利用不同的随机序列产生不同的删余序列进行不同方式的安全编码；
二、安全编码解密：接收端首先利用密钥通过密码器产生随机序列，然后将接收到的比特信息利用随机序列进行区分后输入译码器进行译码。
2.根据权利要求1所述的一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法，其特征在于：所述安全编码加密包括如下步骤：
(1)选择密钥；
(2)利用密钥通过密码器生成密码作为初始值，生成序列均值为0，方差为d的整数随机序列P；
(3)根据随机数P(i)的正负值进行判定，当P(i)大于0时删除第一路分量码，否则删除第二路分量码。
3.根据权利要求2所述的一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法，其特征在于：所述安全编码解密包括如下步骤：
(1)接收端首先通过密钥产生随机序列P；
(2)在不同安全编码方式中，根据P区分接收到的Xi，Y1i以及Y2i；
(3)将Xi、Y1i输入第一个分量译码器，将Xi、Y2i输入第二个分量译码器；
(4)Turbo译码器进行迭代译码。
4.根据权利要求3所述的一种受密码控制的动态删余安全Turbo编码方法，其特征在于：安全编码加密时，分量编码器的约束长度为K，生成多项式长度为M＝K-1，表示为G1＝[g10,g11,…,g1,K-1]，G2＝[g20,g21,…,g2,K-1]，得到对于第dk个信源比特，输出为：
Xk＝dk；
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