一种基于一种基于RB-HARQ安全传输技术的吞吐量最大化方法安全传输技术的吞吐量最大化方法
在基于可靠度混合自动重传技术(Reliability-Based Hybrid ARQ, RB-HARQ)的物理层安全编码中,提出一种
根据信道条件选择最优重传比特数目的方法,该方法能够在保证安全性的条件下实现吞吐量最大。在RB-HARQ
技术中,接收端将码字比特按照可靠度信息大小进行排列,将最低可靠度的比特重传给发送端。为了最大化吞
吐量,利用密度进化算法和软合并的方法计算出相应节点的信息概率密度,通过近似得出理论误比特率,在此
基础上从理论上得出最佳重传数目方案。仿真结果表明,所提算法与传统的RB-HARQ算法相比,在保证安全性
和可靠性的条件下,显著提高了吞吐量,并且验证了理论分析的正确性。
0 引言引言
无线信道特征具有时变性和唯一性,物理层安全就是利用这种信道特征之间的差异化来区分合法接收者和窃听者,从而实现合法通信双方
传输信息的安全。1975年,WYNER A D提出了搭线窃听信道(Wire-tap Channel)模型
[1]
,给出了物理层安全研究的基本模型。在此模型
下,WYNER A D证明了当窃听信道的接收条件劣于合法信道时,系统能够通过理论分析得到正的保密容量,并且可以设计一种编码方式使得通
信速率能够尽可能地逼近安全容量理论值,实现信息安全传输。一些特殊形式的 LDPC (Low Density Parity Check)码,如随机LDPC码和卷积
式LDPC码已被证明在作为搭线窃听信道中的安全编码时可以达到安全容量
[2-3]
。此外Tang Xiaojun首次将混合自动重传(Hybrid Automatic
Repeat-reQuest, HARQ)技术引入到物理层安全之中
[4]
,并在其研究成果中通过安全容量、安全吞吐量等衡量指标,对HARQ-I和HARQ-II
的安全性能做出了详细的对比分析。有研究
[5-6]
将混合自动重传I型技术和基于可靠度的混合自动重传(Reliability-Based Hybrid ARQ, RB-
HARQ)技术分别与扰码(Scrambled Codes)结合引入到物理层安全通信系统中,取得了极大的性能提升,其中后者的性能具有更明显的性能
优势。
在以往的RB-HARQ技术中,重传的比特数目固定,在信道条件差时,信息传输面临着安全问题;信道条件好时,又可能造成信道资源得不
到有效的利用。针对RB-HARQ技术在变化信道条件下传输效率低的问题,本文提出了基于最大化吞吐量RB-HARQ的安全通信技术。该RB-
HARQ技术不再固定每次重传的比特数目,并且以吞吐量最大化为目标,根据具体信噪比条件确定RB-HARQ技术每次重传比特数目。
1 系统模型与性能指标系统模型与性能指标
1.1 系统模型系统模型
采用如图1所示的系统模型
[5-6]
。u表示一个k比特的信息序列,经过加扰后得到u′=u·S,利用规则LDPC码将u′编成一个n比特的信息序列
c。信息序列c经过窃听信道和合法信道分别传输给窃听用户Eve和合法用户Bob,收到的码字分别为c
B
和c
E
。他们通过相同的译码技术获得信息
序列u′
B
和u′
E
。如果Bob得到的信息序列u′
B
≠u
B
出现错误时,则将译码器输出的软信息值进行排序。对数似然比置信传播译码器可以在迭代译码
后输出每个比特的软信息值即对数似然比下的后验概率。记录下软信息值最小的N个比特位置信息,根据已知的RB-HARQ的特征
[7]
,软信息
值最小的比特是Bob接收端的最不可靠比特。最后将这N个比特的位置通过反馈信道发送给Alice请求重传相应的N个比特。每次Alice接收到重传
要求后就将所需信息比特再发送一次,直至Bob正确译码或者达到最大重传次数J才结束。由于Eve不能请求重传,而且当Eve译码得到的序列存
在错误时,经过完美加解扰过程后一半的比特出现错误,解扰过程为=u′·S-1,故一定程度上减少了信息泄露。在此系统中,假设Bob与Alice之
间是理想信道,重传只能由Bob发起,但反馈信息以及重传数据Eve都可以窃听到。
1.2 性能指标性能指标
为了评价通信的安全性,本文利用误比特率作为安全性的衡量标准。此外采用安全带的概念,其为窃听信道的重要参数
[8]
,被定义为:
式中,(E
b
/N
0
)
E,max
是确保安全条件( ≈0.5)的最大信噪比,(E
b
/N
0
)
B,min
是确保可靠条件( ≈0)的最小信噪比。假设窃听用户拥
有与合法用户一样的能力,两者的误比特率(误帧率)性能曲线是一致的,如图2所示。