基于LDPC码的安全可靠通信方法研究

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基于LDPC码的安全可靠通信方法研究

2024-07-15 03:53| 来源: 网络整理| 查看: 265

信道编码盲识别技术是一种根据侦收到的数据快速有效地识别出信道编码体制的方法,实现了对信源信息的获取,为通信对抗提供更多可靠的依据。这种方式是非合作信号处理从信号层向信息层的扩展,这在非合作通信领域具有重要的价值。因此,信道编码盲识别技术受到国内外研究人员的高度重视,并取得了很多研究成果。按照信道编码类型,信道盲识别技术分为卷积码参数盲估计和分组码参数盲估计,其中分组码主要是线性分组码参数的盲识别。

LDPC码是一种由稀疏校验矩阵定义的线性分组码[1],在码长较长时其性能逼近香农限。自LDPC码被发现以来,研究人员从LDPC码的构造、编码、译码方法等方面展开了深入的研究,当前LDPC码在卫星、深空、移动、无线等通信系统中已被广泛应用,成为最有潜力的信道编码解决方案。对LDPC码的盲识别算法也逐渐成为研究热点[2-4]。LDPC码盲识别的最终目标是实现稀疏校验矩阵的正确重建。LDPC码的盲识别是为了解决误码条件下的LDPC码开集识别问题。通过综合利用列消元运算、校验向量判定准则以及渐进行变换等方法,将发现正确校验向量和剔除含误码码组作为手段,最终把原问题成功地退化为无误码条件下对LDPC码接收序列进行高斯消元,获取码字空间的一组基,即生成矩阵G,进而方便地获取至少一个非稀疏校验矩阵Hd。在此基础上,利用足够多次数的线性行变换运算,可最终实现稀疏校验矩阵的正确重建。

虽然LDPC码盲识别技术的计算难度较大,且该技术目前还存在很多亟待解决的问题,但LDPC码的盲识别技术研究给传统的保密通信方案敲响了警钟。通过保密校验矩阵H(或生成矩阵G)实现LDPC码的安全通信已经显得越来越脆弱,因此需要新的增强系统安全性的保密方案。

文献[5]证明了纠错码(信道编码)的一般线性分组码译码问题是一个NPC问题。文献[6]利用这一理论基础并结合Goppa码,首次提出了一类基于纠错码的公钥密码体制,称为McEliece公钥密码体制(M体制)。该体制的基本思想是首先接收方选择一个具有快速译码算法的特定码作为私钥,然后使用一个陷门函数将这个特定码隐藏起来,而敌手看到的只是一个一般的线性码。而且该密码体制具有抗量子攻击的特性,因为密码学界普遍认为量子计算机无法攻破NPC问题,所以该密码体制在量子计算机时代仍然是安全的。但该密码体制存在明显的缺点:密钥开销大、信息速率低且没有考虑有扰信道的情况。

针对M体制密钥开销大、信息速率低等缺点,研究者们相继提出了很多改进方案,其中大部分都是利用LDPC码等具有紧致生成矩阵或校验矩阵的码来代替Goppa码[7];而针对有扰信道的情况,文献[8]对该密码体制进行了修正,使其具有一定的纠错能力,并将修正后的密码体制称为Ms公钥体制,但这种修正会损失一定的安全性,需要在安全性和可靠性之间进行折中。为了解决该问题,文献[9]提出了基于M公钥体制的分组加密纠错体制,但密钥开销大依旧是该方案的弱点,而且后续研究证明该方案可以被一些选择明文攻击攻破。因此,研究新的M对称密码体制改进方案来降低密钥开销、提高系统的安全性,显得非常重要。

本文基于纠错码的对称密码体制以及性能等价矩阵的概念,提出了一类基于LDPC码的安全通信方法,设计了大量等价的编码矩阵,通过通信双方随机改变编码矩阵,在不改变LDPC码纠错能力的前提下,提高了非合作方识别或破获信息的难度。同时针对密钥开销问题,给出了一种低复杂度密钥控制的同步实现方案。



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