中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法.pdf

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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010652691.9 (22)申请日 2020.07.08 (71)申请人 西安交通大学 地址 710049 陕西省西安市咸宁西路28号 (72)发明人 杜清河刘毓黄黎伟 (74)专利代理机构 西安通大专利代理有限责任 公司 61200 代理人 房鑫 (51)Int.Cl. H04L 1/00(2006.01) (54)发明名称 一种中继传输中抗联合窃听的信道安全编 码方法 (57)摘要 本发明公开了一种中继传输中抗联合窃听 的信道安全编码方法， 包括以下步骤： 1)源节。

2、点S 将原始信息序列通过一个维度为M(1)N校验矩 阵的LDPC码进行编码， 得到长度为N的系统码传 输码字c(1)， 然后再将得到的系统码传输码字c(1) 调制传输给中继节点R； 2)中继节点R对接收数据 进行译码， 得信息序列， 再将信息序列通过一个 维度为M(2)N校验矩阵的LDPC码进行编码， 得到 长度为N的系统码传输码字c(2)， 然后将系统码传 输码字c(2)调制传输给目的节点D； 3)目的节点D 根据接收到的信息以及传输所使用的码本进行 译码求解， 以恢复出原始信息序列， 该方法能够 有效的提高信息传输的安全性。 权利要求书2页 说明书11页 附图3页 CN 111884759。

3、 A 2020.11.03 CN 111884759 A 1.一种中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法， 其特征在于， 包括以下步骤： 1)源节点S将原始信息序列通过一个维度为M(1)N校验矩阵的 LDPC码进行编码， 得到长度为N的系统码传输码字c(1)， 然后再将得到的系统码传输码字c(1) 调制传输给中继节点R； 2)中继节点R对接收数据进行译码， 得原始信息序列再将信 息序列通过一个维度为M(2)N校验矩阵的LDPC码进行编码， 得到 长度为N的系统码传输码字c(2)， 然后将系统码传输码字c(2)调制传输给目的节点D； 3)目的节点D根据接收到的信息以及传输所使用的码本进行译码求解。

4、， 以恢复出原始 信息序列 2.根据权利要求1所述的中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法， 其特征在于， 步 骤1)中， M(1)N校验矩阵H(1)的分块形式为： 校验矩阵H(1)对应的生成矩阵G(1)为： 系统码传输码字c(1)为： 其中， p(1)为该码字的校验比特。 3.根据权利要求1所述的中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法， 其特征在于， 步 骤2)中， M(2)N校验矩阵H(2)的分块形式为： 校验矩阵H(2)对应的生成矩阵G(2)为： 系统码传输码字c(2)为： 权利要求书 1/2 页 2 CN 111884759 A 2 其中， p(2)为系统码传输码字c(2)的校验比特。。

5、 4.根据权利要求1所述的中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法， 其特征在于， 步 骤1)中使用的LDPC码为系统码， 源节点S传输给中继节点R使用的LDPC码的校验矩阵H(1)中， 前K列对应信息位上的比特序列， 后N-K列对应校验位上的比特序列。 5.根据权利要求1所述的中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法， 其特征在于， 步 骤2)中使用的LDPC码为系统码， 中继节点R转发给目的节点D使用的LDPC码校验矩阵H(2)中， 前K列对应信息位上的比特序列， 后N-K列对应校验位上的比特序列。 6.根据权利要求1所述的中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法， 其特征在于， 当 目的节点D。

6、只接收到中继节点R的转发信息yD时， 则利用中继节点R转发使用的LDPC码码本H 进行译码， 以恢复出原始信息序列d(d1,d2,dk)T； 当接收机接收到源节点S发送的信息同时接收到中继节点R的转发信息时， 则 利用两跳使用的M(1)N校验矩阵H(1)及M(2)N校验矩阵H(2)， 通过联合译码的方式进行译 码， 以恢复出原始信息序列d(d1,d2,dk)T。 7.根据权利要求1所述的中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法， 其特征在于， 当 M(1)N校验矩阵H(1)与M(2)N校验矩阵H(2)不同时， 则采用耦合拼接方案， 接收机采用等效 校验矩阵直接译码的直接法及基于联合Tanner图。

7、的迭代法进行译码。 8.根据权利要求1所述的中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法， 其特征在于， 当 M(1)N校验矩阵H(1)与M(2)N校验矩阵H(2)相同时， 则采用耦合插入方案， 接收机采用联合 Tanner图的方式进行译码。 权利要求书 2/2 页 3 CN 111884759 A 3 一种中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法 技术领域 0001 本发明属于无线通信技术领域， 涉及一种中继传输中抗联合窃听的信道安全编码 方法。 背景技术 0002 在无线通信系统中， 由于发送端的功率限制， 或者信源节点和目的节点的距离较 远， 两者之间不能直接进行传输信息。 因此当信源节点和目的。

8、节点之间不具备信息的直接 传输条件时， 我们可以借助中继转发技术来实现信息的传递。 中继节点将接收到信源节点 发送的信息进行处理后再转发给目的节点。 0003 在中继解码转发通信系统中， 信息传输的安全性同样值得重视。 目前在中继传输 系统中， 常用的抗窃听手段为人工噪声与波束成形技术， 尚无相关的安全编码系统。 假设合 法链路拥有信道质量优势， 在一跳传输中， 根据信息论， 可以传输一定速率的， 完全无法被 窃听用户窃取的信息。 但是， 关于多跳传输， 窃听者可以根据两跳窃听到的信号经最大比合 并后， 可以获得3dB的增益。 由于合法链路采用译码转发(Decode-and-Forward， 。

9、DF)， 最后的 目的接收机客观上只能根据第二跳信号进行译码。 此时， 合法链路对于窃听链路的优势就 被完全抹平， 可以获得的安全速率为0。 0004 如果合法用户采用理想的， 两个独立的码本进行两跳传输， 那么每跳都可以安全 的传输一定速率的信息。 这样， 最终， 整个中继传输系统也可以获得0的安全速率。 因此， 我 们提出一种编码策略， 使得能够有效抑制窃听者联合窃听能力。 发明内容 0005 本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点， 提供了一种中继传输中抗联合窃听 的信道安全编码方法， 该方法能够有效的提高信息传输的安全性。 0006 为达到上述目的， 本发明所述的中继传输中抗联合窃听的。

10、信道安全编码方法包括 以下步骤： 00071)源节点S将原始信息序列通过一个维度为M(1)N校验矩 阵的LDPC码进行编码， 得到长度为N的系统码传输码字c(1)， 然后再将得到的系统码传输码 字c(1)调制传输给中继节点R； 00082)中继节点R对接收数据进行译码， 得原始信息序列再 将原始信息序列通过一个维度为M(2)N校验矩阵的LDPC码进行编 码， 得到长度为N的系统码传输码字c(2)， 然后将系统码传输码字c(2)调制传输给目的节点D； 0009 3)目的节点D根据接收到的信息以及传输所使用的码本进行译码求解， 以恢复出 原始信息序列 说明书 1/11 页 4 CN 1118847。

11、59 A 4 0010 步骤1)中， 0011 M(1)N校验矩阵H(1)的分块形式为： 0012 0013 校验矩阵H(1)对应的生成矩阵G(1)为： 0014 0015 系统码传输码字c(1)为： 0016 0017 其中， p(1)为该码字的校验比特。 0018 步骤2)中， 0019 M(2)N校验矩阵H(2)的分块形式为： 0020 0021 校验矩阵H(2)对应的生成矩阵G(2)为： 0022 0023 系统码传输码字c(2)为： 0024 0025 其中， p(2)为系统码传输码字c(2)的校验比特。 0026 步骤1)中使用的LDPC码为系统码， 源节点S传输给中继节点R使用的。

12、LDPC码的校验 矩阵H(1)中， 前K列对应信息位上的比特序列， 后N-K列对应校验位上的比特序列。 0027 步骤2)中使用的LDPC码为系统码， 中继节点R转发给目的节点D使用的LDPC码校验 矩阵H(2)中， 前K列对应信息位上的比特序列， 后N-K列对应校验位上的比特序列。 0028 当目的节点D只接收到中继节点R的转发信息yD时， 则利用中继节点R转发使用的 LDPC码码本H进行译码， 以恢复出原始信息序列d(d1,d2,dk)T； 0029当接收机接收到源节点S发送的信息同时接收到中继节点R的转发信息 时， 则利用两跳使用的M(1)N校验矩阵H(1)及M(2)N校验矩阵H(2)，。

13、 通过联合译码的方式进 行译码， 以恢复出原始信息序列d(d1,d2,dk)T。 0030 当M(1)N校验矩阵H(1)与M(2)N校验矩阵H(2)不同时， 则采用耦合拼接方案， 接收 机采用等效校验矩阵直接译码的直接法及基于联合Tanner图的迭代法进行译码。 0031 当M(1)N校验矩阵H(1)与M(2)N校验矩阵H(2)相同时， 则采用耦合插入方案， 接收 说明书 2/11 页 5 CN 111884759 A 5 机采用联合Tanner图的方式进行译码。 0032 本发明具有以下有益效果： 0033 本发明所述的中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法在具体操作时， 通过对 信息传输时。

14、的编码方案进行相关设计， 以降低窃听端的窃听性能， 继而提高信息传输的安 全性， 具体的， 源节点通过维度为M(1)N校验矩阵的LDPC码进行编码， 中继节点维度为M(2) N校验矩阵的LDPC码进行编码， 目的节点D根据接收到的信息以及传输所使用的码本进行 译码求解， 与传统的基于人工噪声波束成形的安全策略不同， 本发明依靠对传输过程信道 编码的相关设计， 不需要消耗额外的能量， 提高了能量利用效率。 附图说明 0034 图1为本发明的系统模型图； 0035 图2为耦合拼接方案下的联合Tanner图； 0036 图3为耦合插入方案下的联合Tanner图； 0037 图4为耦合拼接方案下两种译。

15、码算法的性能比较图； 0038 图5为耦合拼接方案与传统方案的性能对比图； 0039 图6为耦合插入方案与传统方案的性能对比图。 具体实施方式 0040 下面结合附图对本发明做进一步详细描述： 0041 参考图1， 本发明所述的中继传输中抗联合窃听的信道安全编码方法包括以下步 骤： 00421)源节点S将原始信息序列通过一个维度为M(1)N校验矩 阵的LDPC码进行编码， 得到长度为N的系统码传输码字c(1)， 然后再将得到的系统码传输码 字c(1)调制传输给中继节点R； 0043 步骤1)中使用的LDPC码为系统码， 源节点S传输给中继节点R使用的LDPC码的校验 矩阵H(1)中， 前K列对。

16、应信息位上的比特序列， 后N-K列对应校验位上的比特序列。 0044 M(1)N校验矩阵H(1)的分块形式为： 0045 0046 校验矩阵H(1)对应的生成矩阵G(1)为： 0047 0048 系统码传输码字c(1)为： 0049 0050 其中， p(1)为该码字的校验比特。 说明书 3/11 页 6 CN 111884759 A 6 00512)中继节点R对接收数据进行译码， 得原始信息序列再 将原始信息序列通过一个维度为M(2)N校验矩阵的LDPC码进行编 码， 得到长度为N的系统码传输码字c(2)， 然后将系统码传输码字c(2)调制传输给目的节点D； 0052 步骤2)中使用的LDP。

17、C码为系统码， 中继节点R转发给目的节点D使用的LDPC码校验 矩阵H(2)中， 前K列对应信息位上的比特序列， 后N-K列对应校验位上的比特序列。 0053 M(2)N校验矩阵H(2)的分块形式为： 0054 0055 校验矩阵H(2)对应的生成矩阵G(2)为： 0056 0057 系统码传输码字c(2)为： 0058 0059 其中， p(2)为系统码传输码字c(2)的校验比特。 0060 3)目的节点D根据接收到的信息以及传输所使用的码本进行译码求解， 以恢复出 原始信息序列 0061 当接收机只接收到中继节点R的转发信息yD时， 则利用中继节点R转发使用的LDPC 码码本H进行译码， 。

18、以恢复出原始信息序列d(d1,d2,dk)T； 当接收机接收到源节点S发 送的信息同时接收到中继节点R的转发信息时， 则利用两跳使用的M(1)N校验矩阵 H(1)及M(2)N校验矩阵H(2)， 通过联合译码的方式进行译码， 以恢复出原始信息序列d(d1, d2,dk)T。 0062 当M(1)N校验矩阵H(1)与M(2)N校验矩阵H(2)不同时， 则采用耦合拼接方案， 接收 机采用等效校验矩阵直接译码的直接法及基于联合Tanner图的迭代法进行译码。 0063 采用耦合拼接方案具有以下特征： 0064 对于源节点S传输给中继节点R使用的LDPC码的校验矩阵H(1)， 中继节点R转发给目 的节点。

19、D使用的LDPC码的校验矩阵H(2)， 构造一个等效校验矩阵 0065 0066 将两个码本的对应信息比特上前K列按列拼接， 将对应于校验比特上的N-K列对角 拼接， 其维度为(M (1)+M(2)(2N-K) ， 与将两跳码字进行重新排列后的码字序列 满足校验方差同时由于等 说明书 4/11 页 7 CN 111884759 A 7 效校验矩阵是两个码本的分割拼接， 仍然具有稀疏特性。 0067 对于源节点S传输给中继节点R使用的LDPC码的校验矩阵H(1)与中继节点R转发给 目的节点D使用的LDPC码的校验矩阵H(2)中， 块矩阵(1)、 (2)中自身并无环状结构， 而对于 矩阵(1)与(。

20、2)拼接而成的矩阵 0068 0069其存在两列之间位置相同的1的个数大于1， 即根据矩阵生成对应Tanner图中存 在大量4环严重影响LDPC码的译码性能。 0070 当M(1)N校验矩阵H(1)与M(2)N校验矩阵H(2)相同时， 则采用耦合插入方案， 目的 节点D采用联合Tanner图的方式进行译码。 0071 耦合插入方案具有以下特征： 0072 a)对于源节点S传输给中继节点R使用的LDPC码的校验矩阵H(1)， 中继节点R转发给 目的节点D使用的LDPC码的校验矩阵H(2)， 两个码本相同， 记为HH(1)H(2)； 0073b)中继节点R能够正确接收源节点S传输的信息在中继节 点。

21、R对信息进行转发时， 采用一个耦合插入矩阵M将信息序列映射为 另一组信息序列第二跳传输的信息比特与第一跳信息序列满足 0074 0075 耦合插入矩阵M是一个满秩方阵， 其维度KK， 其逆矩阵记为M-1。 0076 直接法的具体过程为： 0077 第一步： 对于两跳接收信息c(1)dG(1)d p(1)1N、 c(2)dG(2)d p(2)1N对其 信息位进行最大比合并， 校验位进行顺序排列， 得到新的等效接受序列 0078第 二 步 ：利 用 等 效 校 验 矩 阵对 等 效 接 收 序 列 做常规BP算法， 进行译码恢复私密数据d(d1,d2,dk)T。 0079 迭代法的具体过程为： 0。

22、080 迭代法为基于联合Tanner图的BP译码算法。 由于两跳传输均采用系统码， 两跳码 字的信息位比特序列拥有相同值， 在使用BP算法时， 可以进行信息的互相传递。 在两个码本 使用BP算法时， 在计算位于信息位上的第j变量节点(variable nodes， VN)传递给第i个校 验节点的信息值Lji时， 需要加上从另一个码本获得额外信息值； 同样的， 在更新第j个变量 节点的LLR值时， 需要加上从另一个码本获得额外信息值。 该额外信息值为另一个码本相同 说明书 5/11 页 8 CN 111884759 A 8 位上的信息位变量节点获得的所有校验信息值。 0081对于码本1而言， 用。

23、于判决的的软信息变为： 0082 0083 H(1)Tanner图中信息位第j个变量节点VN传递给第i个检验节点的信息值Lji变为： 0084 0085 基于该Tanner图的耦合拼接方案联合BP算法如表1所示： 0086 表1 0087 说明书 6/11 页 9 CN 111884759 A 9 0088 说明书 7/11 页 10 CN 111884759 A 10 0089 0090 插入方案， 可以使用基于联合Tanner图的BP译码算法。 由于两跳传输采用了相同 码本， 两跳码字的信息位比特序列满足： 0091 0092 在使用BP算法时， 可以进行信息的互相传递。 在两个码本使用B。

24、P算法时， 在计算位 于信息位上的第j变量节点(variable nodes， VN)传递给第i个校验节点的信息值Lji时， 需 要加上从另一个码本获得额外信息值； 同样的， 在更新第j个变量节点的LLR值时， 需要加上 从另一个码本获得额外信息值。 该额外信息值为另一个码本相同位上的信息位变量节点获 得的所有校验信息值。 0093 码本H(1)传递给H(2)的第j个变量节点的额外信息值为： 0094 0095其中， N(j)为耦合插入矩阵M中第j行行向量1的位置的集合，为校验矩阵H(1) 中第j个变量节点的上轮迭代LLR值。 0096对于码本H(2)而言， 用于判决的的软信息变为： 0097。

25、 0098 H(2)码本Tanner图中信息位第j个变量节点VN传递给第i个检验节点的信息值Lji 变为： 0099 0100 基于该Tanner图的耦合插入方案联合BP算法如表2所示： 0101 表2 说明书 8/11 页 11 CN 111884759 A 11 0102 说明书 9/11 页 12 CN 111884759 A 12 0103 0104 说明书 10/11 页 13 CN 111884759 A 13 0105 仿真实验： 0106 采用信息序列长度为504， 码字长度为1008， 码率为1/2的LDPC码， BP算法的最大迭 代次数为20次。 合法接收端只能接收到中继的。

26、转发信息， 且合法链路的信道增益hRD1； 窃 听端同时窃听源节点S与中继节点R， 窃听链路的信道增益hSEhRE0.707， 调制方式选取 BPSK。 0107 图4表示耦合拼接方案下两种译码算法的误码率随信噪比的变化曲线， 由此可以 看出， 两种译码算法拥有相同的译码性能。 0108 图5表示耦合拼接方案与传统方案的性能对比图， 对于两跳传输采用不同码本的 中继传输系统， 窃听端可以通过构造等效校验矩阵的方式， 减小与合法接收端的译码性能 差距， 在该实验中， 对于相同误码率下， 传统方案下合法接收端与窃听端仅有0.2dB的译码 性能差距。 通过耦合拼接设计， 使其等效校验矩阵出现环状结构。

27、， 能抑制窃听端的译码性 能， 在耦合拼接方案下， 对于相同误码率下， 窃听端相比合法接收端译码性能差距被拉大到 0.3dB。 0109 图6为耦合插入方案与传统方案的性能对比图， 对于两跳传输采用相同码本的中 继传输系统， 窃听端可以通过最大比合并的方式获得更优的信噪比条件， 从而获得最佳的 窃听性能。 在该实验中， 对于相同误码率下， 传统方案下合法接收端与窃听端译码性能十分 接近。 通过耦合插入设计， 将信息序列映射为另一组信息序列， 能够有效的抑制窃听端使用 最大比合并的方式进行联合窃听， 其只能采用基于联合Tanner图的方式来获取最优的译码 性能。 尽管如此， 在耦合插入方案下， 对于相同误码率下， 窃听端与合法接收端约有2dB的译 码性能差距， 能有效的保证信息的安全传输。 说明书 11/11 页 14 CN 111884759 A 14 图1 图2 说明书附图 1/3 页 15 CN 111884759 A 15 图3 图4 说明书附图 2/3 页 16 CN 111884759 A 16 图5 图6 说明书附图 3/3 页 17 CN 111884759 A 17 。