[发明专利]基于信道编码矩阵动态变化的物理层安全传输方法及系统

说明书

本发明涉及基于信道编码矩阵动态变化的物理层安全传输方法及系统，属于通信信息安全领域，该系统包括设置在发送端物理层的联合编码器，设置在接收端物理层的联合译码器，发送端与接收端通过主信道进行通信；该方法包括在发送端的联合编码器与接收端的联合译码器之间：基于已有的密钥交换协议，共享通过密钥协商得到的对称密钥；公开地约定经过优化构造生成的基础校验矩阵，以及矩阵扩展因子；在发送端，通过联合编码器对每个发送明文进行联合加密纠错编码，得到对应的比特发送码字；在接收端，通过联合译码器对接收的码字译码为接收明文。本发明可用于实现高保密性能和高可靠性能的物理层信息传输。

技术领域

本发明属于通信信息安全领域，涉及一种基于信道编码矩阵动态变化的物理层安全通信系统。

背景技术

随着移动互联网，物联网等新技术的兴起，未来无线通信系统面临着信息的高效高可靠传输和信息安全的双重挑战。具体来说，一方面，在恶劣的电磁环境中，如何保证信息的高效高可靠传输是面临的一大挑战；另一方面，在开放的电磁环境中，如何保障信息传输的安全性是另一个亟待解决的问题。

现有的无线通信系统采用的是加密、纠错分离的传输系统，如图1所示，该系统包括依次设置在发送端应用层和物理层的加密器和信道编码器，以及依次设置在接收端应用层和物理层的解密器和信道译码器；发送端与接收端通过主信道进行通信。该系统的通信方法如图1所示，主要步骤为：在通信开始前，基于密钥交换协议，秘密地共享通过密钥协商得到的对称密钥k；发送端信道编码器与接收端信道译码器之间，基于信道编码校验矩阵构造方法，使用经过优化构造生成的固定校验矩阵H₀。在此处，信道编码矩阵即为固定校验矩阵H₀，通过矩阵变换可以从固定校验矩阵H₀得到等价的固定生成矩阵；在发送端，发送明文m_i经过加密器通过对称密钥k得到发送密文c_i，再经过信道编码器通过固定校验矩阵H₀得到的等价固定生成矩阵生成发送码字x_i；发送码字x_i通过主信道进行传输，从而在接收端得到接收码字y_i；在接收端，接收码字y_i经过信道译码器通过固定校验矩阵H₀得到接收密文c′_i，再经过解密器通过对称密钥k得到接收明文m′_i。对于窃听者，能够获取公开的固定校验矩阵H₀。窃听者通过窃听信道得到窃听码字z_i，经过信道译码器得到接收密文c″_i，再在未知对称密钥k的条件下，通过破译器得到未知的破译明文。

因此，已有无线通信传输系统的加密、纠错是分开研究、独立设计的。其中，信息传输的高效高可靠性是通信系统优化设计的主要目标，由物理层中的信道编译码器保证，已经得到了长期深入的研究而离信道极限愈来愈近；信息安全性则由通信系统应用层协议中的加解密器保证，但其没有充分考虑通信传输过程中存在的残余误码、丢包等一系列问题，使其对传输误码过于敏感而难以适用于宽带无线通信系统。同时，加密、纠错分离的传输系统没有通盘考虑通信系统特性，不能有效利用通信系统特性来增强保密性能，使得信息传输的安全性仅由单独的加解密器的唯一决定，使得现有无线通信系统易于被窃听而造成信息泄露。