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基于極化碼的無協(xié)商密鑰物理層安全傳輸方案

黃開枝 萬政 樓洋明 肖帥芳 許曉明

黃開枝, 萬政, 樓洋明, 肖帥芳, 許曉明. 基于極化碼的無協(xié)商密鑰物理層安全傳輸方案[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2020, 42(12): 2946-2952. doi: 10.11999/JEIT190948
引用本文: 黃開枝, 萬政, 樓洋明, 肖帥芳, 許曉明. 基于極化碼的無協(xié)商密鑰物理層安全傳輸方案[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2020, 42(12): 2946-2952. doi: 10.11999/JEIT190948
Kaizhi HUANG, Zheng WAN, Yangming LOU, Shuaifang XIAO, Xiaoming XU. Physical Layer Secure Transmission Scheme with Joint Polar Codes and Non-reconciliation Secret Keys[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(12): 2946-2952. doi: 10.11999/JEIT190948
Citation: Kaizhi HUANG, Zheng WAN, Yangming LOU, Shuaifang XIAO, Xiaoming XU. Physical Layer Secure Transmission Scheme with Joint Polar Codes and Non-reconciliation Secret Keys[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2020, 42(12): 2946-2952. doi: 10.11999/JEIT190948

基于極化碼的無協(xié)商密鑰物理層安全傳輸方案

doi: 10.11999/JEIT190948
基金項(xiàng)目: 國家自然科學(xué)基金(61701538, 61871404, 61801435),國家自然科學(xué)基金創(chuàng)新群體項(xiàng)目(61521003)
詳細(xì)信息
    作者簡介:

    黃開枝:女,1973年生,教授、博士生導(dǎo)師,研究方向?yàn)橐苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)及信息安全

    萬政:男,1996年生,碩士生,研究方向?yàn)槲锢韺影踩靶畔踩?/p>

    樓洋明:男,1991年生,助理研究員,研究方向?yàn)樾畔⒄?、物理層安?/p>

    肖帥芳:男,1989年生,助理研究員,研究方向?yàn)闊o線物理層安全

    許曉明:男,1988年生,助理研究員,研究方向?yàn)橐苿油ㄐ啪W(wǎng)絡(luò)及信息安全

    通訊作者:

    萬政 wanzheng18@alumni.hust.edu.cn

  • 中圖分類號: TN918

Physical Layer Secure Transmission Scheme with Joint Polar Codes and Non-reconciliation Secret Keys

Funds: The National Natural Science Foundation of China (61701538, 61871404, 61801435), The National Natural Science Foundation Innovative Groups Project of China (61521003)
  • 摘要:

    針對現(xiàn)有的密鑰生成方案需要在通信流程中增加額外的密鑰協(xié)商協(xié)議,導(dǎo)致在5G等標(biāo)準(zhǔn)通信系統(tǒng)中應(yīng)用受限的問題,該文提出一種基于極化碼的無協(xié)商密鑰物理層安全傳輸方案。首先基于信道特征提取未協(xié)商的物理層密鑰,然后針對物理信道與密鑰加密信道共同構(gòu)成的等效信道設(shè)計(jì)極化碼,最后利用未協(xié)商的物理層密鑰對編碼后的序列進(jìn)行簡單的模二加加密后傳輸。該方案通過針對性設(shè)計(jì)的極化碼糾正密鑰差異和噪聲引起的比特錯誤,實(shí)現(xiàn)可靠的安全傳輸。仿真表明,該文基于等效信道設(shè)計(jì)的極化碼在保證合法雙方以最優(yōu)的碼率可靠傳輸?shù)耐瑫r(shí)可以防止竊聽者竊聽,實(shí)現(xiàn)了安全與通信的一體化。

  • 圖  1  基于無協(xié)商密鑰的安全通信模型

    圖  2  通信系統(tǒng)信道模型

    圖  3  基于等效信道的安全傳輸模型

    圖  4  輕量級加密傳輸流程

    圖  5  量化不一致率與信噪比關(guān)系

    圖  6  等效信道的傳輸誤比特與信噪比關(guān)系

    圖  7  譯碼后的比特錯誤率隨信噪比、極化碼碼率的關(guān)系

    表  1  仿真參數(shù)列表

    仿真參數(shù)設(shè)定值
    天線數(shù)單天線
    無線信道瑞利平衰落信道
    極化碼長$N = 512$
    蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)次數(shù)${10^8}$
    量化級數(shù)1 bit量化
    噪聲功率$\sigma _{\rm{w}}^2 = 1$
    功率分配${\sigma^2_{\rm{A} } }{\rm{ = } }{\sigma^2_{\rm{B} } }$
    下載: 導(dǎo)出CSV

    表  2  極化碼參數(shù)與設(shè)計(jì)性能

    信道條件極化碼設(shè)計(jì)參數(shù)極化碼實(shí)際性能
    SNR(dB)NK${P_{{\rm{QoS}}}}$${P_{{\rm{Sec}}}}$$P_{\rm{e}}^{{\rm{AB}}}$$P_{\rm{e}}^{{\rm{AE}}}$
    $2$$512$27${10^{ - 6}}$${10^{ - 1}}$$9.2368 \times {10^{ - 7}}$$0.4865$
    $6$$156$$2.5952 \times {10^{ - 7}}$$0.4973$
    $10$$203$$1.1011 \times {10^{ - 7}}$$0.4799$
    下載: 導(dǎo)出CSV
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    白慧卿, 金梁, 肖帥芳. 多天線系統(tǒng)中面向物理層安全的極化編碼方法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2017, 39(11): 2587–2593. doi: 10.11999/JEIT170068

    BAI Huiqing, JIN Liang, XIAO Shuaifang, et al. Polar code for physical layer security in multi-antenna systems[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2017, 39(11): 2587–2593. doi: 10.11999/JEIT170068
    Final report of 3GPP TSG RAN WG1 #88bis v1.0. 0[R]. 2017.
  • 加載中
圖(7) / 表(2)
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出版歷程
  • 收稿日期:  2019-11-01
  • 修回日期:  2020-09-08
  • 網(wǎng)絡(luò)出版日期:  2020-09-14
  • 刊出日期:  2020-12-08

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