物理层安全传输方法、系统、设备及计算机可读存储介质与流程

1.本发明涉及通信领域，尤其涉及一种物理层安全传输方法、系统、设备及计算机可读存储介质。


背景技术：

2.无线信道的开放性导致无线通信面临着更大的安全威胁，在宽带可靠传输的基础上，安全传输日益成为无线通信的重要要求。传统安全传输主要是依靠比特域信息加解密算法在上层对信源加密实现的，但随着量子计算机、dna计算机的出现和成熟，密钥破译者可以迅速攻破基于计算安全的加密系统，信息加解密的安全性日益降低。


技术实现要素：

3.本发明实施例提供一种物理层安全传输方法、系统、设备及计算机可读存储介质，用以解决现有技术中信息加解密的安全性低的问题。
4.根据本发明实施例的物理层安全传输方法，包括：
5.基于收发端同步的时钟信息，生成伪随机序列；
6.基于所述伪随机序列，确定各个信号处理模块的传输参数；
7.基于多个已确定传输参数的信号处理模块，生成发送信号。
8.根据本发明的一些实施例，所述基于收发端同步的时钟信息，生成伪随机序列，包括：
9.伪随机序列生成器以收发端同步的时钟信息为随机种子，采用反馈移位寄存器方法产生长度为n的二元伪随机序列。
10.根据本发明的一些实施例，所述各个信号处理模块包括：信道编码模块、交织模块、星座调制模块、ofdm模块和载波跳频模块。
11.根据本发明的一些实施例，所述信道编码模块采用低密度奇偶校验码，所述信道编码模块的传输参数是行数为k、列数为n的二元校验矩阵；
12.所述交织模块采用的是块交织器，所述交织模块的传输参数是块交织器的行数s1、列数s2；
13.所述星座调制模块采用正交幅度调制或幅度相位调制，所述星座调制模块的传输参数是调制星座；
14.所述ofdm模块采用的fft变换点数为t，所述ofdm模块的传输参数是所选择的子载波下标序列。
15.根据本发明的一些实施例，所述基于所述伪随机序列，确定各个信号处理模块的传输参数，包括：
16.将所述伪随机序列以及预设的行数为k、列数为n的初始校验矩阵输入信道编码传输参数生成器，以输出行数为k、列数为n的二元校验矩阵；
17.将所述伪随机序列以及预设的交织长度s输入交织传输参数生成器，以输出块交
织器的行数s1、列数s2；
18.将所述伪随机序列以及预设的初始调制星座输入调制星座传输参数生成器，以输出与所述初始调制星座阶数相同的传输调制星座；
19.将所述伪随机序列以及预设的子载波数目t输入ofdm传输参数生成器，以输出长度为t的子载波下标序列；
20.基于所述伪随机序列，采用基于混沌理论的方法产生跳频图案。
21.根据本发明实施例的物理层安全传输系统，包括：
22.伪随机序列生成器，用于基于收发端同步的时钟信息，生成伪随机序列；
23.传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列，确定各个信号处理模块的传输参数；
24.发送信号生成器，用于基于多个已确定传输参数的信号处理模块，生成发送信号。
25.根据本发明的一些实施例，所述伪随机序列生成器，用于：
26.以收发端同步的时钟信息为随机种子，采用反馈移位寄存器方法产生长度为n的二元伪随机序列。
27.根据本发明的一些实施例，所述各个信号处理模块包括：信道编码模块、交织模块、星座调制模块、ofdm模块和载波跳频模块；
28.所述信道编码模块采用低密度奇偶校验码，所述信道编码模块的传输参数是行数为k、列数为n的二元校验矩阵；
29.所述交织模块采用的是块交织器，所述交织模块的传输参数是块交织器的行数s1、列数s2；
30.所述星座调制模块采用正交幅度调制或幅度相位调制，所述星座调制模块的传输参数是调制星座；
31.所述ofdm模块采用的fft变换点数为t，所述ofdm模块的传输参数是所选择的子载波下标序列；
32.所述传输参数生成器，包括：
33.信道编码传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列以及预设的行数为k、列数为n的初始校验矩阵，输出行数为k、列数为n的二元校验矩阵；
34.交织传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列以及预设的交织长度s，输出块交织器的行数s1、列数s2；
35.调制星座传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列以及预设的初始调制星座，输出与所述初始调制星座阶数相同的传输调制星座；
36.ofdm传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列以及预设的子载波数目t，输出长度为t的子载波下标序列；
37.跳频传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列，采用基于混沌理论的方法产生跳频图案。
38.根据本发明实施例的物理层安全传输设备，包括：存储器、处理器及存储在所述存储器上并可在所述处理器上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器执行时实现如上所述的物理层安全传输方法的步骤。
39.根据本发明实施例的计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传递的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的物理层安全传输方法的步
骤。
40.采用本发明实施例，可以实现针对多个功能模块的一体化多维安全传输方法。一方面，多个信号处理模块的传输参数在每次传输中都不同，实现了基于多模块的多维安全传输，进而提高了安全性；另一方面，所有传输参数的生产都是基于相同的伪随机系列，实现了多模块传输的一体化联合设计，进而降低了实现复杂性。
41.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
42.通过阅读下文实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。在附图中：
43.图1是本发明实施例中物理层安全传输方法流程图；
44.图2是本发明实施例中物理层安全传输方法流程图；
45.图3是本发明实施例中信道编码模块的传输参数生成示意图；
46.图4是本发明实施例中星座调制模块的传输参数生成示意图；
47.图5是本发明实施例中物理层安全传输系统结构框图；
48.图6是本发明实施例中物理层安全传输设备结构框图。
具体实施方式
49.下面将参照附图更详细地描述本发明的示例性实施例。虽然附图中显示了本发明的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本发明而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本发明，并且能够将本发明的范围完整的传达给本领域的技术人员。
50.本发明第一方面实施例提出一种物理层安全传输方法，如图1所示，包括：
51.s101，基于收发端同步的时钟信息，生成伪随机序列；
52.s102，基于所述伪随机序列，确定各个信号处理模块的传输参数；
53.s103，基于多个已确定传输参数的信号处理模块，生成发送信号。
54.所述物理层安全传输方法适用于信号发送端。发送端具有多个信号处理模块，每个信号处理模块的传输参数在每次传输过程中均需要基于该次产生的伪随机序列生成。信源信号依次通过这些已确定传输参数的信号处理模块，即可生成该次传输的发送信号。
55.采用本发明实施例，可以实现针对多个功能模块的一体化多维安全传输方法。一方面，多个信号处理模块的传输参数在每次传输中都不同，实现了基于多模块的多维安全传输，进而提高了安全性；另一方面，所有传输参数的生产都是基于相同的伪随机系列，实现了多模块传输的一体化联合设计，进而降低了实现复杂性。
56.在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
57.根据本发明的一些实施例，所述基于收发端同步的时钟信息，生成伪随机序列，包
括：
58.伪随机序列生成器以收发端同步的时钟信息为随机种子，采用反馈移位寄存器方法产生长度为n的二元伪随机序列。
59.根据本发明的一些实施例，所述各个信号处理模块包括：信道编码模块、交织模块、星座调制模块、ofdm模块和载波跳频模块。需要说明的是，这里仅仅是对发送端信号处理模块的一些举例说明，发送端信号处理模块还可以包括其他模块。发送端信号处理模块的个数以及种类可以根据实际情况进行设置。
60.根据本发明的一些实施例，所述信道编码模块采用低密度奇偶校验码，所述信道编码模块的传输参数是行数为k、列数为n的二元校验矩阵；
61.所述交织模块采用的是块交织器，所述交织模块的传输参数是块交织器的行数s1、列数s2；
62.所述星座调制模块采用正交幅度调制或幅度相位调制，所述星座调制模块的传输参数是调制星座；
63.所述ofdm模块采用的fft变换点数为t，所述ofdm模块的传输参数是所选择的子载波下标序列。
64.根据本发明的一些实施例，所述基于所述伪随机序列，确定各个信号处理模块的传输参数，包括：
65.将所述伪随机序列以及预设的行数为k、列数为n的初始校验矩阵输入信道编码传输参数生成器，以输出行数为k、列数为n的二元校验矩阵；
66.将所述伪随机序列以及预设的交织长度s输入交织传输参数生成器，以输出块交织器的行数s1、列数s2；
67.将所述伪随机序列以及预设的初始调制星座输入调制星座传输参数生成器，以输出与所述初始调制星座阶数相同的传输调制星座；
68.将所述伪随机序列以及预设的子载波数目t输入ofdm传输参数生成器，以输出长度为t的子载波下标序列；
69.基于所述伪随机序列，采用基于混沌理论的方法产生跳频图案。
70.在此提供的方法不与任何特定计算机、虚拟系统或者其它设备固有相关。各种通用系统也可以与基于在此的示教一起使用。根据上面的描述，构造这类系统所要求的结构是显而易见的。此外，本发明也不针对任何特定编程语言。应当明白，可以利用各种编程语言实现在此描述的本发明的内容，并且上面对特定语言所做的描述是为了披露本发明的最佳实施方式。
71.下面参照图2
‑
图4以一个具体的实施例详细描述根据本发明实施例的物理层安全传输方法。值得理解的是，下述描述仅是示例性说明，而不是对本发明的具体限制。凡是采用本发明的相似结构及其相似变化，均应列入本发明的保护范围。
72.物理层安全是一种基于信息论建立的安全传输模型，能够利用无线信道的不可测量、不可复制的内生安全属性，从物理层建立无线通信内生安全机制，最终实现信息论层面上“一次一密”的绝对安全，已成为实现安全传输的关键技术。
73.当前物理层安全的实现方式主要是：通过对物理层信息或信号处理流程中的某一个信号处理功能模块或某几个信号处理功能模块分别进行物理层安全传输机制设计。
74.其面临的主要问题为：
75.(1)如果仅针对一个信号处理功能模块设计传输机制，则安全性受限；
76.(2)如果针对多个信号处理功能模块分别设计传输机制，则安全性可以提高，但复杂性也随之上升。
77.基于现有技术中物理层安全传输存在的单模块机制安全性低、多模块机制复杂性高的问题。本发明提出一种针对多个功能模块的一体化多维物理层安全传输方法，该方法适用于多种无线通信系统(包括但不限于无人机数据链、无人船数据链、基于其他无人平台的数据链、基于其他有人平台的数据链、卫星通信链、地面蜂窝通信、以及水声通信等)。其核心思想是：在发送端，先用单一的伪随机序列生成器产生伪随机序列；然后用传输参数生成器根据相同的伪随机序列产生信号处理模块的传输参数；所有模块的传输参数生成后，就可以形成本次传输的完整信号处理流程，即可以进行传输。接收端通过相同的伪码生成器和发送端保持传输参数的一致，进而进行传输信息的恢复。
78.对于无线通信系统，发送和接收端的通信物理层涉及多个信号处理功能模块，例如采用信道编码模块进行差错控制、采用交织模块进行突发错误离散化、采用星座调制模块进行比特域到符号域的转化、采用正交频分复用模块(orthogonal frequency division multiplexing，ofdm)进行宽带传输、采用跳频模块进行抗干扰。以上信号处理模块中，星座调制和ofdm是宽带数字通信的基础，信道编码、交织和跳频是实现可靠传输的重要技术手段。
79.图2为本发明的物理层安全传输方法示意图，在发送端，伪随机序列生成器根据收发端同步的时钟信息产生伪随机序列；然后不同的传输参数生成器根据相同的伪随机序列产生相应信号处理模块的传输参数；所有传输参数生成后，就可以形成本次传输的完整信号处理流程，信源信息经过各个信号处理模块后生成发送信号，通过天线可以进行传输。接收端通过相同的伪码生成器和发送端保持传输参数的一致，进而进行传输信息的恢复。
80.具体的，本发明实施例的物理层安全传输方法，包括：
81.步骤1：伪随机序列生成方法。
82.伪随机序列生成器以收发端同步的时钟信息为随机种子，采用当前已有的反馈移位寄存器方法产生长度为p的二元伪随机序列。
83.步骤2：信道编码模块的传输参数生成方法。
84.信道编码模块采用的是低密度奇偶校验码，其传输参数是行数为k、列数为n的二元校验矩阵。在每次传输中，信道编码传输参数生成器的输入是长度为p的二元伪随机序列(对应的十进制伪随机数为q)和给定的行数为k、列数为n的初始校验矩阵，输出是行数为k、列数为n的传输校验矩阵。
85.图3为本发明实施例的信道编码模块的传输参数生成示意图，其中传输校验矩阵的产生过程包括：
86.计算n1＝q modn，其中mod为模运算符号；
87.计算k1＝q mod k；
88.将初始校验矩阵的前n1列放置在n列之后，再将初始校验矩阵的前k1行放置在k行之后，最后得到传输校验矩阵。
89.步骤3：交织模块的传输参数生成方法。
90.交织模块采用的是块交织器，其传输参数为块交织器的行数s1和列数为s2。在每次传输中，交织传输参数生成器的输入是长度为p的二元伪随机序列(对应的十进制伪随机数为q)和给定的交织长度s，输出是块交织器的行数s1和列数s2。
91.块交织器的行数s1和列数s2的产生过程包括：
92.s1为能够被s整除，且满足小于(q mod s)的最大整数；
93.计算s2＝s除以s1。
94.步骤4：星座调制模块的传输参数生成方法。
95.星座调制模块采用正交幅度调制(包括但不限于qpsk、16qam、64qam、256qam、512qam和1024qam星座)或幅度相位调制(包括但不限于不同阶数及不同形式的apsk星座)，其传输参数是调制星座。在每次传输中，调制星座传输参数生成器的输入是长度为p的二元伪随机序列(对应的十进制伪随机数为q)和给定且固定的初始调制星座，输出是与初始调制星座阶数相同的传输调制星座。
96.图4为本发明实施例的星座调制模块的传输参数生成示意图(以qpsk初始调制星座为例)，其中传输调制星座的产生过程包括：
97.计算m＝q mod 360；
98.将初始调制星座的所有星座点顺时针或逆时针旋转m度，即得到本次传输调制星座。
99.步骤5：ofdm模块的传输参数生成方法。
100.ofdm模块中采用的fft变换点数为t，其传输参数是所选择的子载波下标序列。在每次传输中，ofdm传输参数生成器的输入是长度为p的二元伪随机序列(对应的十进制伪随机数为q)和给定的子载波数目t，输出是长度为t的子载波下标序列。
101.子载波下标序列的产生过程包括：
102.计算v＝q mod t；
103.子载波下标序列为[(vmod t),(v 1mod t),
…
,(v t
‑
1mod t)]。
[0104]
步骤6：载波跳频模块的传输参数生成方法。
[0105]
基于长度为p的二元伪随机序列，采用当前已有基于混沌理论的方法产生跳频图案。
[0106]
步骤7：发送信号生成方法。
[0107]
根据步骤1至6，可以生成所有信号处理模块的传输参数，基于传输参数形成本次传输的完整信号处理流程，信源信号经过信道编码模块、交织模块、星座调制模块、ofdm模块、载波跳频模块和其他模块后生成发送信号，通过天线可以进行传输。接收端通过相同的伪码生成器和发送端保持传输参数的一致，进而进行传输信息的恢复。
[0108]
在以上过程中：一方面，多个信号处理功能模块的传输参数在每次传输中都不同，实现了基于多模块的多维安全传输，进而提高了安全性。另一方面，所有传输参数的生产都是基于相同的伪随机系列，实现了多模块传输的一体化联合设计，进而降低了实现复杂性。
[0109]
需要说明的是，本发明实施例中通信收发端物理层的多个信号处理模块包括但不限于本发明中涉及的信道编码、交织、星座调制技术、ofdm和载波跳频模块。
[0110]
需要说明的是，以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，
所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。
[0111]
本发明第二方面实施例提出一种根据本发明实施例的物理层安全传输系统1，如图5所示，包括：
[0112]
伪随机序列生成器10，用于基于收发端同步的时钟信息，生成伪随机序列；
[0113]
传输参数生成器20，用于基于所述伪随机序列，确定各个信号处理模块的传输参数；
[0114]
发送信号生成器30，用于基于多个已确定传输参数的信号处理模块，生成发送信号。
[0115]
所述物理层安全传输系统设于信号发送端。发送端具有多个信号处理模块，每个信号处理模块的传输参数在每次传输过程中均需要基于该次产生的伪随机序列生成。信源信号依次通过这些已确定传输参数的信号处理模块，即可生成该次传输的发送信号。
[0116]
采用本发明实施例，可以实现针对多个功能模块的一体化多维安全传输方法。一方面，多个信号处理模块的传输参数在每次传输中都不同，实现了基于多模块的多维安全传输，进而提高了安全性；另一方面，所有传输参数的生产都是基于相同的伪随机系列，实现了多模块传输的一体化联合设计，进而降低了实现复杂性。
[0117]
在上述实施例的基础上，进一步提出各变型实施例，在此需要说明的是，为了使描述简要，在各变型实施例中仅描述与上述实施例的不同之处。
[0118]
根据本发明的一些实施例，所述伪随机序列生成器10，可以用于：
[0119]
以收发端同步的时钟信息为随机种子，采用反馈移位寄存器方法产生长度为n的二元伪随机序列。
[0120]
根据本发明的一些实施例，所述各个信号处理模块包括：信道编码模块、交织模块、星座调制模块、ofdm模块和载波跳频模块；
[0121]
所述信道编码模块采用低密度奇偶校验码，所述信道编码模块的传输参数是行数为k、列数为n的二元校验矩阵；
[0122]
所述交织模块采用的是块交织器，所述交织模块的传输参数是块交织器的行数s1、列数s2；
[0123]
所述星座调制模块采用正交幅度调制或幅度相位调制，所述星座调制模块的传输参数是调制星座；
[0124]
所述ofdm模块采用的fft变换点数为t，所述ofdm模块的传输参数是所选择的子载波下标序列；
[0125]
所述传输参数生成器20，包括：
[0126]
信道编码传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列以及预设的行数为k、列数为n的初始校验矩阵，输出行数为k、列数为n的二元校验矩阵；
[0127]
交织传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列以及预设的交织长度s，输出块交织器的行数s1、列数s2；
[0128]
调制星座传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列以及预设的初始调制星座，
输出与所述初始调制星座阶数相同的传输调制星座；
[0129]
ofdm传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列以及预设的子载波数目t，输出长度为t的子载波下标序列；
[0130]
跳频传输参数生成器，用于基于所述伪随机序列，采用基于混沌理论的方法产生跳频图案。
[0131]
本领域的技术人员应该明白，上述的本发明的各模块或各步骤可以用通用的计算装置来实现，它们可以集中在单个的计算装置上，或者分布在多个计算装置所组成的网络上，可选地，它们可以用计算装置可执行的程序代码来实现，从而，可以将它们存储在存储装置中由计算装置来执行，并且在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤，或者将它们分别制作成各个集成电路模块，或者将它们中的多个模块或步骤制作成单个集成电路模块来实现。这样，本发明不限制于任何特定的硬件和软件结合。
[0132]
本发明第三方面实施例提出一种物理层安全传输设备，如图6所示，包括：存储器1010、处理器1020及存储在所述存储器1010上并可在所述处理器1020上运行的计算机程序，所述计算机程序被所述处理器1020执行时实现如上所述的第一方面实施例所述的方法的步骤。
[0133]
通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到上述实施例方法可借助软件加必需的通用硬件平台的方式来实现，当然也可以通过硬件，但很多情况下前者是更佳的实施方式。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分可以以软件产品的形式体现出来。
[0134]
本发明第四方面实施例提出一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质上存储有信息传输的实现程序，所述程序被处理器执行时实现如上所述的第一方面实施例所述的方法的步骤。
[0135]
需要说明的是，本实施例所述计算机可读存储介质包括但不限于为：rom、ram、磁盘或光盘等。所述程序被处理器可以是手机，计算机，服务器，空调器，或者网络设备等。
[0136]
尽管在此所述的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。例如，在权利要求书中，所要求保护的实施例的任意之一都可以以任意的组合方式来使用。
[0137]
术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者装置不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者装置所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括该要素的过程、方法、物品或者装置中还存在另外的相同要素。
[0138]
不应将位于括号之内的任何参考符号构造成对权利要求的限制。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。单词第一、第二、以及第三等的使用不表示任何顺序。可将这些单词解释为名称。