一种基于LDPC变码技术的纠错加密方法技术

发明专利技术提出了一种基于LDPC变码技术的纠错加密方法，将AES加密体制、LDPC变码技术以及加噪技术相结合，在保证纠错能力的同时提升数据的安全性。本发明专利技术所提的方法首先对数据首先按照AES体制进行加密，然后对其进行LDPC编码，而且对每一帧数据采用不同的LDPC码(即LDPC变码)，最后对LDPC码编码后的数据进行加噪，使其发生少量误码。由于在编码时人为加入了误码，因此不论信道好坏，接收端接收的数据里肯定存在误码。接收端只有同时知道AES密钥与LDPC码具体参数时才能得到正确的原始数据并且获得编码增益。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于通信领域，具体涉及一种纠错加密方法。
技术介绍
无线通信技术近年来在军事、民用等各方面得到了广泛应用，在给人们带来便利的同时，无线信道的开放性也使得信息安全问题变得越来越突出，信息在传输过程中的安全性问题越来越受到人们的关注。传统的有线通信通常使用数据加密等方法来保障通信安全，尽管这些方法在无线通信中仍然可行，但传统的上层加密解决方案逐渐受限于窃听方计算能力的日益增强和Ad-hoc等无中心网络密钥管理和分配等因素，它们都没有完全弥补由无线信道的开放性所造成的安全漏洞。如何在物理层利用无线通信系统自身的特点来解决通信信息的安全传输成为信息安全研究领域新的热点。另一方面，自二十一世纪以来，低密度奇偶校验(LDPC，low-density parity-check)码由于其较高的编码增益以及可高速编译码等特点，已经在广播电视、通信、存储等领域得到了广泛的应用。如何将具有高编码增益的LDPC码用在信息安全领域，使系统同时具有高的安全性和高的抗差错性是近年来的研究热点。例如在文献1《认知系统AES-LDPC纠错加密器的设计与性能分析》(系统工程与电子技术,2010年第32卷第1期)与文献2《Multilevel/AES-LDPCC-CPFSK with channel equalization over WSSUS multipath environment》(AEU-International Journal of Electronics and Communications,2011年第65卷第12期)中，提出将LDPC码与AES加密(Advanced Encryption Standard，高级加密标准)体制进行级联，从而使系统同时获得LDPC码的编码增益以及AES加密体制带来的安全性，但是文中所提供的方法使用的是固定的LDPC码，没有叙述如何变换LDPC码字，LDPC码对系统的安全性的贡献较低。而且文献1中使用的LDPC码采用随机的方法进行构造校验矩阵，但是使用生成矩阵来进行编码，生成矩阵会非常复杂，实用性不强。本专利技术提出了一种基于LDPC变码技术的纠错加密方法，将AES加密体制、LDPC变码技术以及加噪技术相结合，通过变换LDPC码提升系统的安全性。而且本专利技术使用的LDPC码采用基于双对角矩阵的方式进行构造，使用校验矩阵进行编码，复杂度低，实用性好。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提出一种基于LDPC变码技术的纠错加密方法，该方法用于通信系统中对数据进行纠错与加密。本专利技术所提的纠错加密方法将AES加密体制、LDPC变码技术以及加噪技术相结合，在
保证纠错能力的同时提升数据的安全性。AES体制主要用于将原始数据进行扩散与非线性化，保障数据的安全性；LDPC码主要用于对数据进行保护，提升数据的抗差错能力；LDPC变码技术指在数据传输过程中针对不同帧的待编码数据实时变换LDPC码字(LDPC码校验矩阵)的技术，用于提升数据的安全性；加噪技术主要用于使数据产生误码，用于提升数据的安全性。通过将AES加密体制、LDPC变码技术以及加噪技术相结合，使得接收端只有在同时知道AES密钥与LDPC码具体参数的情况下才能解析出正确的数据并且获得编码增益。本专利技术中使用的LDPC码采用基于双对角矩阵的方式进行构造。基于双对角矩阵的方式进行构造的校验矩阵H由两部分组成，一部分为双对角矩阵，记为Hp，另一部分由若干循环子矩阵构成，记为Hd。一般地，若LDPC码的码长记为N，信息位长度记为M，则Hp的大小为(N-M)×(N-M)，Hd的大小为(N-M)×M，若构成Hd的循环子矩阵大小为a×a，则Hd的每一个列块有(N-M)/a个子矩阵，记为i，每一个行块有M/a个子矩阵，记为j，显然，Hd由i×j个大小为a×a的循环子矩阵构成。由于循环子矩阵是由单位阵按照预定的偏移量循环移位生成的，因此，对于一个给定了码长和信息位长度的LDPC码，通过改变Hd中循环子矩阵的大小和偏移量便能改变LDPC码校验矩阵，本专利技术中使用offset(i,j)表示这些子矩阵的偏移量，其中，0≤offset(i,j)≤a-1，1≤i≤(N-M)/a，1≤j≤M/a，显然，(N-M)/a与M/a为整数。图1给出了一个具有双对角矩阵形式的校验矩阵的示例H1。H1所表示的LDPC码字的长度N为24比特，信息位长度M为12比特。H1由和两部分构成，分别如图2和图3所示。从图3可以看出，的循环子矩阵的大小为3×3，的每一个行块有(N-M)/a＝4个循环子矩阵块，的每一个列块有M/a＝4个循环子矩阵块。从图3可以看出，中的构成第一个循环子矩阵行块的循环子矩阵的偏移量分别为0，1，2，1。对于一个给定码长为N，信息位长度为M的LDPC码，本专利技术采用LDPC码变码技术，在编码过程中实时生成校验矩阵，使得每一次编码采用不同的校验矩阵，即每一次编码使用不同的LDPC码，达到“一次一码”的效果。变换LDPC码的具体方式为改变校验矩阵中的循环子矩阵大小和/或循环子矩阵的偏移量。图4给出了一个将H1中循环子矩阵的偏移量进行改变，得到新的LDPC码的校验矩阵H2的一个示例。从图4可以看出，H2的第一个循环子矩阵行块的循环子矩阵的偏移量分别为2，0，2，1。而H1的第一个循环子矩阵行块的循环子矩阵的偏移量分别为0，1，2，1。显然，通过变换循环子矩阵的偏移量实现了LDPC码校验矩阵的变换。图5给出了一个将H1中循环子矩阵的大小进行改变，得到新的LDPC码的校验矩阵H3的一个示例。从图5可以看出，H3中的循环子矩阵大小为4×4，H3共包含有9个循环子矩阵。显然，通过变换循环子矩阵的大小同样实现了LDPC码校验矩阵的变换。本专利技术所提的纠错加密方法中的加噪技术用于给数据添加噪声，使数据产生误码，使得
不论信道好坏，接收端总是收到带误码的数据。本专利技术提供的一种纠错加密方法，其具体操作步骤包括：步骤1：根据通信系统对信道编码信息位长度与校验位长度的要求，构造出LDPC码校验矩阵的基本结构，计算校验矩阵中的循环子矩阵尺寸参数a的有效取值范围；步骤2：对原始数据按照AES体制进行加密；步骤3：生成LDPC码校验矩阵中循环子矩阵的偏移量参数offset(i,j)，确定当次编码使用的校验矩阵；步骤4：根据该校验矩阵对数据进行LDPC编码；步骤5：对编码后的数据对数据进行加噪处理；重复步骤2到步骤5，完成对数据流的连续处理本专利技术提供的纠错加密方法的具体操作步骤如图6所示。所述步骤1中，a的取值需要满足以下两个条件：1.a小于M与N-M，且能被M与N-M整除；2.a的取值通常在31到1024之间；所述步骤2中采用AES体制对数据进行加密时密钥长度可以是128比特、192比特或256比特；所述步骤3中循环子矩阵偏移量参数offset(i,j)根据用户的设定可每次编码都进行更改，即采取“一次一码”，也可以不更改，即采用固定的LDPC码。综上所述，本专利技术所提的方法首先对数据按照AES体制进行加密，然后对其进行LDPC编码，而且对每一帧数据采用不同的LDPC码，最后对LDPC码编码后的数据进行加噪，使其发生少量误码。由于在编码时人为加入了误码，因此不论信道好坏本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于LDPC变码技术的纠错加密方法，其特征在于：所述的纠错加密方法将AES加密体制、LDPC变码技术以及加噪技术相结合，对数据进行加密与纠错编码，AES体制用于将原始数据进行扩散与非线性化加密，保障数据的安全性；LDPC码用于对数据进行保护，提升数据的抗差错能力；LDPC变码技术指在数据传输过程中实时变换LDPC码字的技术，用于提升数据的安全性；加噪技术用于使数据产生误码，用于提升数据的安全性，通过将AES加密体制、LDPC变码技术以及加噪技术相结合，使得接收端只有在同时知道AES密钥与LDPC码具体参数的情况下才能解析出正确的数据。

【技术特征摘要】
1.一种基于LDPC变码技术的纠错加密方法，其特征在于：所述的纠错加密方法将AES加密体制、LDPC变码技术以及加噪技术相结合，对数据进行加密与纠错编码，AES体制用于将原始数据进行扩散与非线性化加密，保障数据的安全性；LDPC码用于对数据进行保护，提升数据的抗差错能力；LDPC变码技术指在数据传输过程中实时变换LDPC码字的技术，用于提升数据的安全性；加噪技术用于使数据产生误码，用于提升数据的安全性，通过将AES加密体制、LDPC变码技术以及加噪技术相结合，使得接收端只有在同时知道AES密钥与LDPC码具体参数的情况下才能解析出正确的数据。2.根据权利要求1所述的一种基于LDPC变码技术的纠错加密方法，且特征在于：其LDPC码采用基于双对角矩阵的方式进行构造，其校验矩阵由两部分组成，一部分为双对角矩阵，另一部分由若干循环子矩阵构成。3.根据权利要求2所述的一种基于LDPC变码技术的纠错加密方法，且特征在于：所使用的LDPC码在编码过程中能进行变换，使得每一次编码使用不同的LDPC码，达到“一次一码”的效果；变换LDPC码的具体方式为改变校验矩阵中的循环子矩阵大小或循环子矩阵的偏移量。4.根据权利要求3所述的改变校验矩阵中的循环子矩阵大小，其特征在于循环子矩阵大小按如下方法确定：假定LDPC码的码长为N、信息位长度为M，则其校验位长度为N-M，校验矩阵循环子矩阵参数a需要小于M与N-M，且能被两者整除，而且取值范围在31与1024之间，通过求取M与N-M的最大公约数，再对最大公约数进行因数分解转换成两个数乘积的形式，取出其中在31与1024之间的数即是a的有效取值。5.根据权利要求1至4中任意一项所述的一种基于LDPC变码技术的纠错加密方法，其特征在于：对LDPC编码后的数据进行加噪处理，具体方法如下，首先产生一个随机数...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵岭，李众，彭皓，刘荣科，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：北京;11