基于混沌加密的窃听信道极化码安全编码机制的研究

摘要

窃听信道模型是一种重要的通信安全模型，如何在安全可靠的前提下让安全速率达到窃听信道安全容量一直以来都是人们重点研究的问题。近几年，随着极化码这一能在理论上达到香农限的新型编码方式的提出，基于极化码的物理层安全编码机制已成功的达到了窃听信道模型的安全容量。然而在实际环境中，往往存在信道安全容量偏低甚至为负值的情况，此时单一的物理层安全编码机制将无法满足对安全速率的要求。针对这一问题，本文通过采用跨层协作的方式，将物理层的极化码安全编码机制与高层的混沌加密机制相结合，实现信息在低安全容量以及负安全容量的窃听信道模型下快速可靠安全的传输。主要研究内容如下：
　　论述了信道极化理论、极化码编解码机制以及信源极化理论的相关理论基础。阐述了信道极化过程中的信道合并与信道分割特性，介绍并分析了极化码的编码机制的构造方式及其译码机制的误码率。同时还论述了信源极化的原理及极化机制，并在此基础上详细介绍了相关的无损信源编解码机制。上述极化理论研究基础对构造窃听信道模型下极化码安全编码机制具有重要指导意义。
　　针对窃听信道模型下基于极化码的物理层安全编码机制展开了相应的研究和讨论。对于对称退化窃听信道模型，阐述了基于极化子信道分割的极化码安全编码机制，分析了该安全机制的可靠性与安全性，证明了信道安全容量的可达到性。同时，将该极化码安全机制拓展到一般性窃听信道模型，论述了基于信源极化理论以及分组链式结构的一般性解决方案，并证明了一般性窃听信道模型下该拓展极化码安全编码机制的安全性可靠性以及信道安全容量的可达到性。
　　基于物理层安全编码与高层加密算法跨层协作的安全机制，选择混沌流密码加密算法作为加密方法。对混沌流密码加密的加解密方式、安全性问题以及混沌系统特性进行了论述。构造了基于混沌二进制随机数发生器的流密码加密机制，介绍了其基于支持向量机的二进制量化方式，分析了其密钥流的随机性问题，并且给出了具体的加解密流程。
　　针对实际情况下低信道安全容的问题，构造了混沌流密码加密机制与极化码安全编码机制相互耦合的跨层协作安全机制。在分析了实际情况下物理层安全及编码机制和安全加密机制的缺点与限制的基础上提出了跨层互补的协作方式。在一般性窃听信道模型下，构造了基于安全密钥传输和可靠密文传输的加密耦合安全编码机制，成功实现了一次一密的安全加密体制。同时，给出了两种不同的加密编码方案来满足密钥空间安全性的需求。证明了该加密耦合编码机制在安全性可靠性前提下可以达到高于信道容量的安全速率。
　　针对负信道安全容量条件下物理层安全编码机制无效的问题，提出了另一种混沌加密耦合的极化码安全编码解决方案。该方案采用混沌流密码加密机制和极化码编码机制，构造了基于混沌休眠比特的安全机制来增加非法用户的极化码译码误码率，成功保证了密文传输的可靠性与安全性。同时在分组传输的基础之上构造了安全密钥传输链，保证了密钥传输的可靠性与安全性。证明了该混沌加密耦合极化码安全编码机制成功在负信道安全容量条件下达到了正安全传输速率。

目录

1 绪论

1.1 引言

1.2 研究背景及意义

1.3 国内外研究现状及进展

1.4 本文的研究内容及结构安排

2 信道极化理论与信源极化理论

2.1 引言

2.2 符号与定义

2.3 信道极化理论

2.4 极化码

2.5 信源极化理论

2.6 无损信源编码

2.7 本章小结

3 基于极化码的窃听信道安全编码机制

3.1 引言

3.2 窃听信道模型

3.3 对称退化窃听信道安全编码机制

3.4 一般性窃听信道安全编码机制

3.5 本章小结

4 混沌流密码加密机制

4.1 引言

4.2 一次一密加密体制与流密码加密算法

4.3 混沌系统与量化方式

4.4 混沌流密码加密机制的构造

4.5 本章小结

5 针对一般性窃听信道的混沌加密耦合的极化码安全编码机制

5.1 引言

5.2 跨层耦合解决方案

5.3 子信道分割与耦合机制

5.4 加密及编码机制

5.5 讨论与证明

5.6 本章小结

6 负信道安全容量下加密耦合的极化码安全编码机制

6.1 引言

6.2 负信道安全容量

6.3 反馈信道构造机制

6.4 基于休眠比特的安全机制

6.5 加密耦合安全编码机制

6.6 证明与讨论

6.7 本章小结

7 总结与展望

7.1 总结

7.2 展望

致谢

参考文献

附录1 攻读学位期间发表论文目录

附录2 攻读学位期间参与的项目