基于相干編碼與arq聯合編碼的物理層安全信息傳輸方法
【技術領域】
[0001] 本發明屬于物理層安全領域，涉及一種物理層安全信息傳輸方法，具體涉及一種 基于相干編碼與ARQ聯合編碼的物理層安全信息傳輸方法。
【背景技術】
[0002] 自Wyner提出基于竊聽信道的安全速率公式以來，安全速率已經成為衡量物理層 安全的重要指標。以此為優化目標，物理層安全方案研宄從波束賦性及預編碼角度著手提 出了不同的方案。但此類方案都有著共同的前提，即認為總有一種編碼能夠實現保密信息 速率等于或者逼近安全速率。這種為了研宄方便的近似，忽略了編碼對安全速率的提升作 用。
[0003] 然而編碼不僅能夠使得實際保密信息發送速率達到物理層方案中達到的安全速 率，更為重要的是，從Wyner提出物理層安全的定義層面上，編碼還可以較大程度提高安全 速率。
[0004] 綜上，針對物理層安全方案，通過設計一種具體且有效的編碼方式來提高物理層 安全中安全速率很有必要。
[0005] 物理安全的目標可以歸納為以下兩個方面：第一個是物理層安全的保密目標，即 合法接收端和非法竊聽者的接收誤碼率的要求，前者被要求盡可能的低，理想情況下逼近 于零以保證安全接收，后者被要求盡可能高，理想情況下逼近0. 5以保證完全混亂不被竊 聽；另一個是物理層安全的性能目標，Wyner提出安全速率的概念就是滿足第一個物理層 安全保密目標時的保密信息發送速率，如何盡可能的提升保密速率也成為物理層安全研宄 的重要方向，即如何保證接收端和竊聽端誤碼率的基礎上提高碼字發送速率，但現有的技 術達到的效果不明顯。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于克服上述現有技術的缺點，提供了一種基于相干編碼與ARQ聯 合編碼的物理層安全信息傳輸方法，該方法可以有效的降低合法接收端的誤碼率，提高非 法竊聽者的誤碼率，并且較大程度提高發送速率。
[0007] 為達到上述目的，本發明所述的基于相干編碼與ARQ聯合編碼的物理層安全信息 傳輸方法包括以下步驟：
[0008] 基站端對待發送信息進行內碼編碼，得碼字An，然后將碼字An分為N段，即
[0009] An={A1；A2, . . . ,AJ ⑴
[0010] 根據分段后的碼字々"通過相干編碼得N段的碼字Bn，并對碼字以中的各段碼字進 行編號，其中
[0011] Bn={B1；B2,. . . ,BJ ⑵
[0012]
[0013] 將所述N段的碼字Bn依次以信息包的方式通過合法信道發送至合法接收端，合法 接收端依次接收所述N段等長的碼字Bn，再判斷各段碼字是否正確，當任意一個碼字不正確 時，則將該碼字的編號反饋至基站端，基站端查詢該編號對應的信息包，并將該編號對應的 信息包經合法信道轉發至合法接收端，而非法竊聽端不能利用ARQ機制。
[0014] 將碼字々"平均分為N段。
[0015] 根據分段后的碼字An生成N段等長的碼字Bn。
[0016] 本發明具有以下有益效果：
[0017] 本發明所述的基于相干編碼與ARQ聯合編碼的物理層安全信息傳輸方法在信息 傳輸過程中，通過基站端對待發送信息兩次的編碼，然后將編碼后得到的碼字轉通過合法 信道轉發至合法接收端，當合法接收端接收的字碼為錯誤時，基站端重新發從錯誤的字碼， 從而有效的降低合法接收端的誤碼率至零，并且提高信息發送的速率，當非法竊聽者竊聽 時，由于本發明在對待發送信息進行編碼時，先通過內碼編碼然后通過相干編碼，從而有效 的提高非法竊聽者的誤碼率，并證明出通過所提方案在碼長無限時竊聽端誤碼率為50%。 本發明在實際應用時，在保密目標上，可以保證合法接收端的誤碼率逼近零，而非法竊聽者 的誤碼率逼近〇. 5 ;在速率性能上，可以保證基站端的信息發送速率逼近主信道香農容量， 與傳統物理層安全方案相比，能夠較大提高速率性能指標。
【附圖說明】
[0018] 圖1為本發明中仿真實驗的結構示意圖；
[0019] 圖2為本發明中接收端誤碼率隨信道狀態變化曲線圖；
[0020] 圖3為傳統物理層安全中安全速率與主信道香農容量隨信道狀態變化曲線圖；
[0021] 圖4為Turbo碼碼長變化對比曲線圖。
【具體實施方式】
[0022] 下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
[0023] 本發明所述的基于相干編碼與ARQ聯合編碼的物理層安全信息傳輸方法包括以 下步驟：
[0024] 基站端對待發送信息進行內碼編碼，得碼字An，然后將碼字An分為N段，即
[0025] An={A1；A2, . . . ,AJ ⑴
[0026] 根據分段后的碼字A1^過相干編碼得N段的碼字Bn，并對碼字以中的各段碼字進 行編號，其中
[0027] Bn={B1；B2, . . . ,BJ ⑵
[0028]
[0029] 將所述N段的碼字Bn依次以信息包的方式通過合法信道發送至合法接收端，合法 接收端依次接收所述N段等長的碼字Bn，再判斷各段碼字是否正確，當任意一個碼字不正確 時，則將該碼字的編號反饋至基站端，基站端查詢該編號對應的信息包，并將該編號對應的 信息包經合法信道轉發至合法接收端，而非法竊聽端不能利用ARQ機制。
[0030] 將碼字々"平均分為N段。
[0031] 根據分段后的碼字An生成N段等長的碼字Bn。
[0032] 接下來分別介紹聯合編碼對物理層安全要求的指標：安全性和速率性能的提高效 果。
[0033] 1)安全性能
[0034] 本發明能夠得到在合法接收端Bob和非法竊聽者Eve在誤碼率e上的整體優勢： 通過聯合方案，我們可以得到物理層安全的基本要求，即在合法接收端誤碼率盡可能的趨 近于0,而在非法竊聽者誤碼率盡可能的趨近于50%，如下式所示：
[0035] (4)
[0036] 接下來對式（4)做詳細證明。
[0037] 令信道在傳輸原始信息序列過程中，基站端發送的原始信息序列為 {aA_tw{0,1}，接收端得到的信息序列表示為仇t，b# {0，1}，并令接收序列第i個 包出現誤碼率的序號為k⑴，有ak⑴辛bk⑴，且有k(1)<k(2)〈. . .<k(i-1) <k⑴，再令相鄰 誤碼信息包的序號差為Ak(i) =k(i+l)-k(i)，該變量為一個整形的隨機變量，i.d.d.，舍 去序號i，記為Ak。
[0038] i)則有有：
[0039] p{Ak = m} = a (1-a廣-1) (5)
[0040] 其中，Ak的統計期望為：
[0051]ii)當該離散無記憶信道傳輸相關編碼后的信息序列通過相干編碼后，則有
[0052]
[0053] 接收序列中出現相鄰誤碼序列序號之差Ak'同樣滿足i?{Ak'}=i， a
[0054] 有相關編碼的譯碼可知，當第i個誤碼序號為Ak(i)，當i為奇數 時，有h(1>}芯1^譯碼錯誤，誤碼個數為Ak(i) ;i為偶數時，譯碼全部正確，正確 個數為Ak(i)。
[0055] 步驟i)中得到結論= 1，且由于i為奇數和偶數的概論相同，則正確和錯 a 誤的概論也相同，即》> () 4f= 50%。
[0056] 非法竊聽者Eve由于最終能夠譯碼正確的概論趨近為50%，能夠得到通過缺少反 饋重傳機制的相干編碼使得Eve幾乎無法通過截獲的碼字獲得Alice廣播得原始信息。
[0057] 發送速率性能驗證
[0058] 假設基站端Alice通過糾錯編碼能夠使得發送的碼率逼近主信道香農容量，由于 糾錯編碼的存在，根據香農準則，主信道的誤碼率能夠做到趨近于〇,換句話說，在合法接收 端Bob采用反饋重傳機制的概論也將會趨近于0。這就意味著采用本發明可以達到兩個逼 近：第一個逼近為實際保密信息發送速率可以逼近安全速率，第二個逼近為安全速率逼近 香農容量。實際的發送消息速率即為安全速率，根據信道編碼（以Turbo碼為例）的性質， 能夠逼近主信道的香農容量。
[0059] 仿真實驗
[0060] 參考圖1，基站端Alice、合法接收端Bob、非法竊聽者Eve均為單天線，信道為離散 無記憶信道，原始信息發送前進行Log-MAP和S0VA的Turbo碼糾錯編碼方案作為內碼，廣 播傳輸前對內碼進行相干編碼，發送過程中采用合法接收端的自動反饋重傳機制。BPSK調 制，基本迭代次數10次。
[0061] 參考圖2,不失一般性的，認為主信道和竊聽信道信道狀態處于同一級別，縱坐標 代表接收端的誤碼率。仿真中內碼采用了Turbo碼作為信道編碼，譯碼時采用Log-MAP譯 碼和S0VA譯碼兩種譯碼方式，外碼應用聯合編碼和不應用外碼進行仿真對比。
[0062] 參考圖3,對比方案選擇了半正定松弛（SDP)方案和迫零方案傳統的物理層安全 方案。可以看到傳統物理層安全方案雖然能夠增加安全速率，但提高幅度有限，距離理想的 主信道香農容量還有很大的差距。
[0063] 參考圖4,從圖4中可以得到：采用所提聯合方案時能夠比較接近香農容量，且隨 著碼長的不斷增加，更加逼近香農容量。
【主權項】
1. 一種基于相干編碼與ARQ聯合編碼的物理層安全信息傳輸方法，其特征在于，包括 以下步驟： 基站端對待發送信息進行內碼編碼，得碼字An，而后將碼字An分為N段，即 A= (A1, A2,. . . , An} (1) 根據分段后的碼字八11通過相干編碼得N段碼字B n，并對碼字Bn中的各段碼字進行編 號，其中將所述N段的碼字Bn依次以信息包的方式通過合法信道發送至合法接收端，合法接收 端依次接收所述N段等長的碼字Bn，再判斷各段碼字是否正確，當任意一段碼字不正確時， 則將該碼字的編號反饋至基站端，基站端查詢該編號對應的信息包，并將該編號對應的信 息包經合法信道轉發至合法接收端。2. 根據權利要求1所述的基于相干編碼與ARQ聯合編碼的物理層安全信息傳輸方法， 其特征在于，將碼字△11平均分為N段。3. 根據權利要求1所述的基于相干編碼與ARQ聯合編碼的物理層安全信息傳輸方法， 其特征在于，根據分段后的碼字An生成N段等長的碼字B n。
【專利摘要】本發明公開了一種基于相干編碼與ARQ聯合編碼的物理層安全信息傳輸方法，包括以下步驟：基站端對待發送信息進行內碼編碼，得碼字An，然后將碼字An分為N段；根據分段后的碼字An通過相干編碼得N段的碼字Bn，并對碼字Bn中的各段碼字進行編號；將所述N段的碼字Bn依次以信息包的方式通過合法信道發送至合法接收端，合法接收端依次接收所述N段等長的碼字Bn，再判斷各段碼字是否正確，當任意一個碼字不正確時，則將該碼字的編號反饋至基站端，基站端查詢該編號對應的碼字，并將該編號對應的碼字經合法信道重新發至合法接收端，而非法竊聽端不能利用ARQ機制進行糾錯。本發明可以有效的降低合法接收端的誤碼率，提高非法竊聽者的誤碼率。
【IPC分類】H04L29/06, H04L1/00
【公開號】CN104883359
【申請號】CN201510223667
【發明人】陳志剛, 陳卓, 張曉雷
【申請人】西安交通大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年5月5日