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基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案

黄开枝 万政 楼洋明 肖帅芳 许晓明

黄开枝, 万政, 楼洋明, 肖帅芳, 许晓明. 基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(12): 2946-2952. doi: 10.11999/JEIT190948
引用本文: 黄开枝, 万政, 楼洋明, 肖帅芳, 许晓明. 基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案[J]. 电子与信息学报, 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 and 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 and Information Technology, 2020, 42(12): 2946-2952. doi: 10.11999/JEIT190948

基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案

doi: 10.11999/JEIT190948
基金项目: 国家自然科学基金(61701538, 61871404, 61801435),国家自然科学基金创新群体项目(61521003)
详细信息
    作者简介:

    黄开枝:女,1973年生,教授、博士生导师,研究方向为移动通信网络及信息安全

    万政:男,1996年生,硕士生,研究方向为物理层安全及信息安全

    楼洋明:男,1991年生,助理研究员,研究方向为信息论、物理层安全

    肖帅芳:男,1989年生,助理研究员,研究方向为无线物理层安全

    许晓明:男,1988年生,助理研究员,研究方向为移动通信网络及信息安全

    通讯作者:

    万政 wanzheng18@alumni.hust.edu.cn

  • 中图分类号: 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:

    针对现有的密钥生成方案需要在通信流程中增加额外的密钥协商协议,导致在5G等标准通信系统中应用受限的问题,该文提出一种基于极化码的无协商密钥物理层安全传输方案。首先基于信道特征提取未协商的物理层密钥,然后针对物理信道与密钥加密信道共同构成的等效信道设计极化码,最后利用未协商的物理层密钥对编码后的序列进行简单的模二加加密后传输。该方案通过针对性设计的极化码纠正密钥差异和噪声引起的比特错误,实现可靠的安全传输。仿真表明,该文基于等效信道设计的极化码在保证合法双方以最优的码率可靠传输的同时可以防止窃听者窃听,实现了安全与通信的一体化。

  • 图  1  基于无协商密钥的安全通信模型

    图  2  通信系统信道模型

    图  3  基于等效信道的安全传输模型

    图  4  轻量级加密传输流程

    图  5  量化不一致率与信噪比关系

    图  6  等效信道的传输误比特与信噪比关系

    图  7  译码后的比特错误率随信噪比、极化码码率的关系

    表  1  仿真参数列表

    仿真参数设定值
    天线数单天线
    无线信道瑞利平衰落信道
    极化码长$N = 512$
    蒙特卡洛实验次数${10^8}$
    量化级数1 bit量化
    噪声功率$\sigma _{\rm{w}}^2 = 1$
    功率分配${\sigma^2_{\rm{A} } }{\rm{ = } }{\sigma^2_{\rm{B} } }$
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    表  2  极化码参数与设计性能

    信道条件极化码设计参数极化码实际性能
    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$
    下载: 导出CSV
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    Final report of 3GPP TSG RAN WG1 #88bis v1.0. 0[R]. 2017.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-11-01
  • 修回日期:  2020-09-08
  • 网络出版日期:  2020-09-14
  • 刊出日期:  2020-12-08

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