一种退化窃听信道中基于加密极化编码的信息传输方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种退化窃听信道中基于加密Polar编码的信息传输方法、装置、可读存储介质及计算设备，使得非法窃听方的接收性能达到更好的恶化的效果，提升了通信的安全性。方法包括：获取退化窃听信道信息；根据信道信息，确定对接收方无噪而对窃听方全噪的第一信道集合，以及对接收方和窃听方均为无噪的第二信道集合；其中，第一信道集合用于传输密钥，第二信道集合用于传输随机序列；当确定密钥的长度小于随机序列长度时，确定出使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置；根据使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置和所述密钥，加密随机序列；根据Polar码编码密钥和随机序列；将编码结果发送给接收方。

【技术实现步骤摘要】
一种退化窃听信道中基于加密极化编码的信息传输方法
本公开涉及通信
，尤其涉及一种退化窃听信道中基于加密极化(Polar)编码的信息传输方法、装置、可读存储介质及计算设备。
技术介绍
当窃听信道的噪声比主信道的噪声大时，我们将此时的窃听信道称之为退化窃听信道。在Wyner提出的窃听系统的模型基础上，将Polar码应用于退化窃听信道的模型如图1所示。在此模型中，W'是W的退化信道，且W和W'均为对称信道。其中U是信源用户Alice发送的信息序列，X是U经过Polar编码得到的编码码字，Y和Z分别是X经过W和W'传输后输出的序列，和分别合法接收用户Bob和非法窃听用户Eve译码后最终获取的信息估计序列，CM和CW分别表示表示W与W'的信道容量。退化窃听信道模型在经过了信道极化之后所产生的比特信道一共可以分为三类，对Bob和Eve均为全噪的信道集合AF，用来传输固定比特；对Bob无噪而对和Eve来说的全噪信道集合AS，用来传输有效信息比特；对Bob和Eve均为无噪的比特信道集合AR，用来传输随机序列。其中AS、AR、AF三者不相交，并且满足在进行Polar码的构造的时候，我们就选择AS中的比特信道来传输信息，我们将这一部分的信息位集合称之为安全位，若Am和Aw分别表示W和W'的信息位，即AS＝Am-Aw，AS所对应的比特信道我们将其称之为安全比特信道。已有文献证明了在窃听信道是退化版的主信道的条件下，AS一定存在。极化之后各类比特信道在编码时的应用如图2所示，根据图2所示方法，将编码后的码字X分别通过主信道传送给合法接收者Bob，通过窃听信道传送给非法窃听方Eve。由于Bob传输信息的子信道是好信道，因此Bob最终得到的信息估计序列质量很高。相反，用来传输信息的子信道对于Eve来说为差信道，因此对序列Z进行译码之后的信息序列的质量很差，无法获取到有用的信息，使得通信的安全得到了保障。在结合密钥的Polar安全编码方案中，利用AS中所传输信息当作密钥，利用密钥对余下所要传输的信息加密后，通过AR发送。AF中发送固定序列。图3表示的是该方案中比特信道的分类情况。结合加密算法的Polar安全编码方案模型则如图4所示。在该方案中，在发送信息时，先根据信道特性得出用来传输秘密信息序列的安全比特信道集合，在安全比特信道中发送秘密信息U中的部分信息U2,利用U2对余下要发送的秘密信息U1进行加密后，将该加密后得到的密文信息M放在前文所述的传输随机序列的信道中传输。对于由加密后的密文M和U2组成的新的信息序列U'，信息发送用户Alice将U'编码为X，X码长为N。若合法信道和窃听信道的信道系数分别为hb和he，方差为的加性高斯白噪声的噪声矢量为nb，方差为的加性高斯白噪声的噪声矢量为ne。那么在接收端，可以得到合法接收者Bob和非法窃听者Eve所接收到的信号分别为：Yb＝hbX+nb＝hb(XM,X2)+nb(公式1)Ye＝heX+ne＝he(XM,X2)+ne(公式2)其中XM和X2为X中包含的子序列，XM为密文M编码后得到的码字序列，X2为U2编码后得到的码字序列。由于合法接收者可以通过X2译码得到安全比特信道中发送的秘密信息U2，同时合法接收者Bob可以通过译码对序列XM进行翻译得到信息序列M，因此可以进一步将密文M译码翻译得到信息序列U1。至此合法接收者Bob便译码得出了所有发送端发送的秘密信息序列U＝(U1，U2)。而由于非法窃听者Eve无法通过译码得到安全比特信道中传输的秘密信息U2，因此即便可以译码得出部分密文m，也最终无法翻译得到秘密信息序列。具体方案如下：(1)根据主信道和窃听信道的信道状态，通过Bhattacharyya参数方法分别得到各自的好信道与差信道集合后，根据前文所述方法划分出三个信道集合：AS、AR、AF；(2)利用AS传输一部分秘密信息U2,并利用此部分秘密信息U2当作密钥，将其进行随机扩展后扩展成与U1等长的序列UR后，对U1进行加密得到密文：(3)将密文和密钥组合后形成新的信息序列U'，根据Polar编码得到码字X并进行传输；(4)在接收端通过SC译码算法进行译码。在上述方案中，当秘密信息比特数与所要加密的信息比特数量不等时，需要将密钥进行扩展，原方案中所采用的扩展方案为随机补零扩展。然而，如果只是随机确定k＝|AS|个位置对码字信息进行加密扰乱的话，就不能达到最大程度的将窃听方Eve的接收性能恶化的效果，也即无法充分保障系统的安全性。
技术实现思路
为此，本公开提供一种退化窃听信道中基于加密Polar编码的信息传输方法、装置、可读存储介质及计算设备，实现了一种更优的密钥扩展算法，使得非法窃听方的接收性能达到更好的恶化的效果，提升通信的安全性。根据本公开实施例的一个方面，提供了一种退化窃听信道中基于加密Polar编码的信息发送方法，包括：获取退化窃听信道信息；根据信道信息，确定对接收方无噪而对窃听方全噪的第一信道集合，以及对接收方和窃听方均为无噪的第二信道集合；其中，第一信道集合用于传输密钥，第二信道集合用于传输随机序列；当确定密钥的长度小于随机序列长度时，确定出使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置；根据使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置和所述密钥，加密随机序列；根据Polar码编码密钥和随机序列；将编码结果发送给接收方。可选地，确定使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置，包括：随机生成若干个随机序列长度的初始序列，初始序列中包含个数为密钥的长度的特征值，用于表示信道加密干扰位置；确定用于遗传算法计算的适应度函数和限制条件，适应度函数设定为使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大为优化目标，限制条件包括生成序列应包含个数为密钥的长度的特征值；根据初始序列和适应度函数，采用遗传算法迭代，确定出限制条件下适应度最优的生成序列，适应度最优的生成序列的特征值指示使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置。根据本公开实施例的又一个方面，提供了一种退化窃听信道中基于加密Polar编码的信息接收方法，包括：获取退化窃听信道信息；在对接收方无噪而对窃听方全噪的第一信道集合接收密钥，在对接收方和窃听方均无噪的第二信道集合接收加密后的Polar码字；根据预先确定的使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置和密钥，解密加密后的Polar码字；解码Polar码字，得到原始的随机序列。可选地，确定使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置，包括：随机生成若干个随机序列长度的初始序列，初始序列中包含个数为密钥的长度的特征值，用于表示信道加密干扰位置；确定用于遗传算法计算的适应度函数和限制条件，适应度函数设定为使本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种退化窃听信道中基于加密极化Polar编码的信息发送方法，其特征在于，包括：/n获取退化窃听信道信息；/n根据所述信道信息，确定对接收方无噪而对窃听方全噪的第一信道集合，以及对接收方和窃听方均为无噪的第二信道集合；其中，所述第一信道集合用于传输密钥，所述第二信道集合用于传输随机序列；/n当确定所述密钥的长度小于所述随机序列长度时，确定出使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置；/n根据所述使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置和所述密钥，加密所述随机序列；/n根据Polar码编码所述密钥和所述随机序列；/n将编码结果发送给接收方。/n

【技术特征摘要】
1.一种退化窃听信道中基于加密极化Polar编码的信息发送方法，其特征在于，包括：
获取退化窃听信道信息；
根据所述信道信息，确定对接收方无噪而对窃听方全噪的第一信道集合，以及对接收方和窃听方均为无噪的第二信道集合；其中，所述第一信道集合用于传输密钥，所述第二信道集合用于传输随机序列；
当确定所述密钥的长度小于所述随机序列长度时，确定出使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置；
根据所述使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置和所述密钥，加密所述随机序列；
根据Polar码编码所述密钥和所述随机序列；
将编码结果发送给接收方。


2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，确定使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置，包括：
随机生成若干个所述随机序列长度的初始序列，所述初始序列中包含个数为所述密钥的长度的特征值，用于表示信道加密干扰位置；
确定用于遗传算法计算的适应度函数和限制条件，所述适应度函数设定为使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大为优化目标，所述限制条件包括生成序列应包含个数为所述密钥的长度的特征值；
根据所述初始序列和所述适应度函数，采用遗传算法迭代，确定出所述限制条件下适应度最优的生成序列，所述适应度最优的生成序列的特征值指示所述使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置。


3.一种退化窃听信道中基于加密Polar编码的信息接收方法，其特征在于，包括：
获取退化窃听信道信息；
在对接收方无噪而对窃听方全噪的第一信道集合接收密钥，在对接收方和窃听方均无噪的第二信道集合接收加密后的Polar码字；
根据预先确定的使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置和所述密钥，解密所述加密后的Polar码字；
解码所述Polar码字，得到原始的随机序列。


4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，确定使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大的信道加密干扰位置，包括：
随机生成若干个所述随机序列长度的初始序列，所述初始序列中包含个数为所述密钥的长度的特征值，用于表示信道加密干扰位置；
确定用于遗传算法计算的适应度函数和限制条件，所述适应度函数设定为使得窃听方在第二信道的Polar码的误码率最大为优化目标，所述限制条件包...

【专利技术属性】
技术研发人员：马楠，周方圆，张治，黄育侦，许晓东，
申请(专利权)人：北京邮电大学，
类型：发明
国别省市：北京;11