基于双序列混合的安全极化码动态编码方法与流程

本发明涉及通信安全，特别是指一种基于双序列混合的安全极化码动态编码方法，应用于有高保密要求的轻量级分布式设备平台，保证信息在信道编译码的同时具备保密传输的特点。

背景技术：

1、在传统分布式通信方案中实现保密通信的往往是依托通信层与加密层分离的方式，这种方式的安全性实现主要依赖加密层的破译难度。而对于分布式平台的保密通信实现采取分层设计一方面要考虑软、硬件成本开销，另一方面需要防止敌手针对加密层实现针对型的窃听与大规模计算。对于有低成本与可靠保密的实现需求的分布式平台采用一种保密信道编码的方案。安全性的加密与可靠传输的编、译码可在同一层级实现，利用极化码的编码特点实现了信息与随机密钥的同时传输，对于混淆窃听者有极大帮助，采取混合流密钥的方式进一步扩大了流密钥的随机性并且实现了可变码长的动态编码。

技术实现思路

1、针对上述背景技术中存在的不足，本发明提出了一种基于双序列混合的安全极化码动态编码方法，解决了传统保密方案中加密与通信分离时安全性只能依靠保密层的破译难度的局限性，通过保密编码的方式实现了可满足安全性要求的信道编译码。

2、本发明的技术方案是这样实现的：

3、一种基于双序列混合的安全极化码动态编码方法，其步骤如下：

4、发送端和合法接收端共同确定编码长度n、共享密钥k和约定数i；

5、发送端采用rc4加密算法对共享密钥k加密得到伪随机序列ka，合法接收端采用a5-1加密算法对共享密钥k加密生成伪随机序列kb；并根据约定数i、伪随机序列ka和伪随机序列kb确定混合随机序列r；

6、发送端根据编码长度n构造比特混淆器，并将待发送信息m与混合随机序列r输入比特混淆器，产生混淆序列m'；

7、发送端根据编码长度n确定生成矩阵g，并将混淆序列m'输入生成矩阵g后得到待发送码字，再对待发送码字进行bpsk调制，得到发送码字a；

8、发送端发出发送码字a，经过无线信道传输后，合法接收端和非法接收端均收到信号b；

9、合法接收端将信号b与混合随机序列r输入极化码译码器，译码得到原始信息；

10、非法接收端将信号b与随机序列r'输入极化码译码器，译码得到错误信息。

11、优选地，所述混合随机序列r的确定方式为：约定数i选取各自随机序列第i位，共有22种组合方式，组合方式定义如下：

12、组合数为00时，混合随机序列r＝ka+kb+k0；

13、组合数为01时，混合随机序列r＝kb；

14、组合数为10时，混合随机序列r＝ka；

15、组合数为11时，混合随机序列r＝kb+ka+k0；其中，k0为全0序列。

16、优选地，所述混淆序列m'的生成方法为：

17、混合随机序列r作为一个输入传送到比特混淆器作为冻结位填入的序列；

18、发送端根据编码长度n与码率r确定比特混淆器中的冻结位模式；

19、在冻结位模式中，“1”对应信息位，填入原始信息，“0”对应冻结位，填入混合随机序列，得到混淆序列m'。

20、优选地，所述生成矩阵g的确定方法为：

21、

22、其中，gn表示极化码编码矩阵，表示矩阵的n次克罗内克积；bn为排序矩阵，它的递归定义：i2＝b2，为二阶单位阵；rn实现奇偶元素分离，表示为：(u1,u2,u3,......,un)·rn＝(u1,u3,......un-1,u2,u4......,un)，矩阵bn是令输出序列的第j个元素取值为原序列的第i'个元素，将原序列中i'∈{1,…,n}化为二进制表示i'-1→(bn,…,b1)→(b1,...,bn)→j-1。

23、优选地，所述bpsk调制为fbpsk；发送码字a为fbpsk(m'*g)。

24、优选地，所述合法接收端将信号b与混合随机序列r输入极化码译码器，译码得到原始信息的方法为：

25、译码开始前，合法接收端将混合随机序列r、信号b与比特混肴器中的冻结位模式传入极化码译码器；

26、步骤1：初始化

27、初始化列表，包含一个空的路径，即只有一个初始路径；

28、初始化译码树，将信号b划分为不同的路径，记其根节点为第0层，其余每层表示一位待译码比特；每个由根节点到叶子节点的边的集合代表一种可能的译码结果；

29、步骤2：逐比特译码

30、对于每个译码树节点，根据路径上的冻结比特信息，采用硬判决公式：进行节点值的更新；其中，表示之前位译码结果，表示本位译码结果，表示待译码比特，表示表示接收比特串，count代表该比特在伪随机序列r中的位置，af表示冻结位模式，表示待译码信道的后验概率，表示待译码比特为0且之前位均正确译码，表示待译码比特为1且之前位均正确译码，l表示第l条路径；

31、根据更新后的节点值，根据公式：计算相应的度量值；其中，δ(x)＝1/2(1-sign(x)),

32、对于每个路径，在度量值基础上，选择最可能的比特值作为决策，并根据该比特值更新路径上的节点；

33、步骤3：路径扩展与排序

34、对于每个路径，根据其度量值，从它的父路径扩展出两个子路径，一个假设当前比特为0，另一个假设当前比特为1；

35、根据度量值对所有生成的子路径进行从小到大排序，选择前l条路径，l为scl算法中设置的列表大小；若当前路径总数未达到l，则在排序后全部保留；

36、步骤4：路径剪枝

37、在每个阶段结束后，根据已扩展的路径列表，选择保留前l条路径，剪去度量值较差的路径；即将路径度量最小的l条路径保留，其余路径剪枝；

38、步骤5：迭代译码

39、重复步骤2到步骤4，直到达到极化码的译码性能要求或者达到预定的迭代次数；

40、步骤6：输出解码结果

41、所有层计算迭代完成，从度量表中选取最小路径给出译码，最终译码与发送信息无误。

42、与现有技术相比，本发明产生的有益效果为：

43、1)本发明在极化码信道分裂的基础上对于原先传输固定比特的位置上传送流密钥产生的随机序列，即在原先信道容量可靠的比特位仍然传输信息位，在信道容量糟糕的比特位传输选择混合随机序列，在原先极化码保证传输的可靠性下同时实现了保密传输。而在随机序列的设计上采用了两种流密钥进一步加深了破译难度，窃听者在不具备发收双方之间密钥匙时无法产生正确的随机序列，在此基础上随机序列的产生还与当前时刻双方比特组合有关，当通信双方分别采取当前比特位组合即可以产生4种组合密钥，并能通过随机序列混合实现码长的变化进一步实现冻结位在原编码结果中的混淆。通过这种窃听者所不具备的先验知识使得窃听者的译码率几乎为0，无法还原正确信息。

44、2)通信双方可共享32位的原始密钥并产生两种流密钥，选取流密钥进行混合可产生4种不同的随机序列，分别占用128比特和484比特，当合法用户采用scl进行译码时误块率可在7％左右，而非法用户在随机试探的方法下误块率为100％。

45、3)解决了极化码中冻结位所带来的比特位空占，利用极化码冻结比特的特点传输随机密钥，在保证码率不变的情况下满足保密通信的需求。

46、4)解决了原始编码方案因固定编码方式可能会遭受窃听的威胁，采取流密钥技术混合加密产生随机序列，并且在编码层面上实现了可变化的码长。