一种基于Spinal码的无比率安全编码方法技术

本发明专利技术公开了一种基于Spinal码的无比率安全编码方法，具体包括：1)系统参数初始化；2)将待传输信息进行随机扰码；3)进行Spinal编码；4)QAM调制；5)将调制后的信号输入无线信道；6)Bob端和Eve端的解调器对接收的信号进行解调；7)Bob端和Eve端的译码器对解调信号进行译码；8)Bob端和Eve端对信息解扰；9)计算Bob端和Eve端的误码率。所述方法加入了窃听信道和随机编码两种方式来保证信息传输的安全性，同时在小幅增加编码复杂度的情况下，提升了在突发干扰情况下的数据传输的可靠性能。发干扰情况下的数据传输的可靠性能。发干扰情况下的数据传输的可靠性能。

【技术实现步骤摘要】
一种基于Spinal码的无比率安全编码方法


[0001]本专利技术涉及无线通信、信道编码及保密通信
，特别是涉及一种基于Spinal码的无比率安全编码方法。

技术介绍

[0002]随着物联网时代的到来，保证海量数据实时、可靠、安全的传输，一直是无线通信技术追求的目标。作为信息安全的重要组成部分，物理层安全技术从物理层着手利用信道特性保护需要传输的信息，与现有密码学技术的结合使用能够极大增强现有无线通信的安全性。
[0003]物理层安全技术中，为获得优越的有效、可靠与安全性能，发射端需事先知道与接收端的信道状态信息，但面对当前越来越复杂的通信环境，很多情况下发射端难以预先获知准确的信道状态信息，为了适应这种环境，无速率码应运而生，无速率码具有自适应信道环境的特性，可适用于各种无衰落和有衰落的噪声信道，是一种高效又可靠的差错控制编码技术，现已被应用于各类无线通信系统中。
[0004]Spinal码是一种新型的无速率编码方法，它具有良好的吞吐性能，可以自适应无线网络环境，根据信道状态选择合适码率进行传输的编码方法。与经典的Raptor等无速率码不同，Spinal码能够在低码长、低信噪比下获得接近香农信道容量的良好性能，且其能同时适用于删除信道、加性高斯信道和衰落信道。且Spinal码是非线性码，它的编码只使用哈希函数，就可以产生好的编码符号序列，编码与译码方法简单，是一种前景非常广阔的无速率码。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供了一种基于Spinal码的无比率安全编码方法，目的是在保证无线通信系统的可靠性与有效性的前提下，进一步提升通信安全性。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
[0007]本专利技术提供一种基于Spinal码的无比率安全编码方法，所述无线数据安全编码方法依托的模型基于Wyner窃听信道模型，主信道与窃听信道均为删除信道、高斯信道或衰落信道，其信道参数分别为h
b
和h
e
，附加的噪声向量分别为n
b
和n
e
。Alice端包含S随机码生成器、Spinal编码器和QAM调制器；Bob端包含QAM解调器、Spinal译码器和解随机扰码器；Eve端包括QAM解调器、Spinal译码器和解随机扰码器。
[0008]所述无线数据安全编码方法，包括如下步骤：
[0009]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：
[0010]步骤1.1、Alice端的S随机码生成器生成随机码序列存储空间；
[0011]步骤1.2、Alice端的Spinal编码器设置Spinal编码每组信息比特位数k、编码后比特位数n、RNG后每个子块中比特位数c，编码后每个符号比特数p、初始spine值s0；
[0012]步骤1.3、Alice端的Spinal编码器生成Spinal编码采用的hash函数；
[0013]步骤1.4、Alice端的Spinal译码器定义Spinal译码的路径度量搜索宽度L。
[0014]步骤2、Alice端的随机码生成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；
[0015]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；
[0016]步骤2具体采用S随机码生成器，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，随机扰码变换用公式(1)描述：
[0017][0018]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；
[0019]步骤2具体包括如下子步骤：
[0020]步骤2.1、选取正整数S，选取S的取值范围为设待扰码序列的长度与信息序列长度相同，长度为n；
[0021]步骤2.2、产生一个随机数i,其取值范围为1＜i＜n；
[0022]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；
[0023]步骤2.4、重复步骤2.2和步骤2.3，直到随机码生成器输出的随机扰码后的序列的n个位置均被填满，即生成了随机扰码后的序列m。
[0024]步骤2中随机码生成器随着数据的传输过程实时产生随机位置，使数据中元素位置在传输过程中实时变化，这样增加了Eve端在窃听过程中数据解码难度，增强了数据传输的安全性。
[0025]步骤3、Spinal编码：
[0026]步骤3.1、将步骤2生成的n比特长度的信息序列m，将其以每组k比特分为n
s
＝n/k组，为其中1≤i≤n/k；
[0027]步骤3.2、将v比特状态值和k比特信息序列块通过hash函数映射，映射过程为：第i段信息序列块对应的前一个Spine值(状态值)s
i-1
和第i段信息序列块经过hash函数生成一串二进制位，运算如下：
[0028][0029]输出s
i
作为下一个hash函数的Spine值，此输出为c位，顺序进行上述操作，最后生成n/k个Spine值；
[0030]步骤3.3、把每c比特长度的输出Spine值通过RNG映射为一个信道传输符号v
i
(1≤i≤n/k)，v1，v2，...，v
n/k
构成长度为n/k的传输符号序列(通常称为pass或者码块)；
[0031]其中，RNG是一个可以将v位状态种子转换为c位符号作为伪随机序列的函数：
[0032]RNG：{0，1}
v
×
N
→
{0，1}
c
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
[0033]步骤4、QAM调制：
[0034]对步骤3生成的码块进行QAM调制，对于第l个Pass，Spinal码的编码输出第i(1≤i≤n/k)个信道传输符号的具体步骤：
[0035]步骤4.1、长度有限的状态信息值v
i
用二进制比特序列表示，v
i
＝b1b2b3...；
[0036]步骤4.2、比特序列b1，...b
2c
表示位置是2c(l-1)的2c比特长度的序列，l＝1时，为b1，...b
2c
，在l＝2时，为b
2c+1
，...b
4c
；
[0037]步骤4.3、利用调制映射函数把序列b1，...b
2c
映射成传输符号x
i
，然后把传输符号序列传入到信道之中；
[0038]采用QAM调制。正交振幅调制(QAM)是一种振幅与相位联合键控，这种信号的一个码元可以表示为：
[0039]x
k
＝X...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于Spinal码的无比率安全编码方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、构建无线通信系统，然后将系统参数初始化，所述系统包括Alice端、Bob端、Eve端和无线信道；所述Alice端包括S随机码生成器、Spinal编码器和QAM调制器；所述Bob端和所述Eve端都包含QAM解调器、Spinal译码器和解随机扰码器；所述无线信道包括主信道和窃听信道；步骤2、所述Alice端的随机码生成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，将所述待传输的信息比特记为u，将所述生成随机扰码后的序列记为m；步骤3、Spinal编码，包含以下子步骤：步骤3.1、将所述步骤2中随机扰码后的序列m以每组K比特分组，将v比特状态值和k比特信息序列块通过hash函数映射，映射过程为：第i段信息序列块对应的前一个Spine值s
i-1
和第i段信息序列块经过hash函数生成一串二进制位，输出s
i
作为下一个hash函数的Spine值，此输出为c位，顺序进行上述操作，最后生成n/k个Spine值，所述Spine值为状态值；步骤3.2、把每c比特长度的输出Spine值通过RNG映射为一个信道传输符号v
i
，其中1≤i≤n/k，将v1，v2，...,v
n/k
构成长度为n/k的码块；步骤4、对所述步骤3生成的码块进行QAM调制；步骤5、Alice端将所述步骤4输出的调制后符号输入到无线信道；步骤6、Bob端的解调器和Eve端的解调器分别接收所述步骤5中Alice端经无线信道发送的符号并进行解调，输出解调后信息，再经过两端各自的译码器进行译码，输出译码后的信息序列；步骤7、Eve端和Bob端将所述步骤6输出的Spinal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，再按照所述步骤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；步骤8、计算Bob端和Eve端的译码输出的误码率。2.根据权利要求1所述的一种基于Spinal码的无比率安全编码方法，其特征在于，所述步骤3.2中的RNG是一个将v位状态种子转换为c位符号作为伪随机序列的函数：RNG:{0,1}
v
×
N
→
{0,1}
c
。3.根据权利要求1所述的一种基于...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨志良，孙兴丽，姚金杰，周惠，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：