基于部分空間耦合擾亂編碼的數(shù)據(jù)鏈信息安全技術(shù)

杜俊逸，肖 磊，周志恒

(1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司航空電子信息系統(tǒng)技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都610036；2. 電子科技大學(xué)通信抗干擾國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 成都611731)

空基數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)是推動(dòng)網(wǎng)絡(luò)信息體系戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用的主要抓手，是鏈接各類有人/無(wú)人平臺(tái)傳感器，實(shí)現(xiàn)跨平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)的基礎(chǔ)[1]。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)運(yùn)行于一個(gè)傳播開(kāi)放的無(wú)線環(huán)境，其所承載的信息在傳輸過(guò)程中易遭遇截獲、竊聽(tīng)、篡改和破壞等多種安全威脅。在紅藍(lán)方對(duì)抗場(chǎng)景下，藍(lán)方無(wú)源探測(cè)系統(tǒng)常對(duì)數(shù)據(jù)鏈信號(hào)進(jìn)行截獲和竊聽(tīng)，從中竊取紅方數(shù)據(jù)鏈承載的信息。一方面，數(shù)據(jù)鏈承載的業(yè)務(wù)信息均為敏感信息，該類信息的泄露將曝光紅方指控命令、態(tài)勢(shì)信息等，造成紅方兵力部署的暴露。另一方面，數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)墓芾硇畔橄到y(tǒng)管控信令，該類消息的泄露將曝光紅方網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議。藍(lán)方對(duì)網(wǎng)絡(luò)管理報(bào)文進(jìn)行解譯、分析，可發(fā)起對(duì)數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的賽博攻擊，最終達(dá)到“癱網(wǎng)”和“控網(wǎng)”的目的。基于此，構(gòu)建具有高效信息安全、能有效抵抗竊聽(tīng)的數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)可以提高強(qiáng)對(duì)抗環(huán)境中的作戰(zhàn)能力，真切使得數(shù)據(jù)鏈實(shí)現(xiàn)作戰(zhàn)效能“倍增器”的使能[2-3]。

目前，數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)的安全通信均基于密碼認(rèn)證體系來(lái)實(shí)現(xiàn)。通過(guò)利用各種加密算法對(duì)信息進(jìn)行加密，以保障信息在傳輸過(guò)程中的安全性，防止惡意竊聽(tīng)。然而，一種新型加密算法的提出，往往伴隨著一種破解算法的出現(xiàn)。雖然密鑰加密的方法可以較好地保證數(shù)據(jù)鏈傳輸?shù)男畔踩裕枰暂^高的計(jì)算復(fù)雜度為代價(jià)。在未來(lái)任務(wù)場(chǎng)景中，未來(lái)作戰(zhàn)樣式中作戰(zhàn)單元的數(shù)量將大幅提升，這對(duì)通信數(shù)據(jù)鏈提出了海量連接、快速認(rèn)證的要求。此外，未來(lái)作戰(zhàn)樣式的顆粒度得到進(jìn)一步細(xì)化。新的協(xié)同樣式也對(duì)通信數(shù)據(jù)鏈提出了更低的通信時(shí)延、更高的傳輸速率等通信服務(wù)質(zhì)量(quality of service，QoS)要求[4]。然而，目前基于密碼認(rèn)證體系的傳統(tǒng)加密方法難以滿足未來(lái)多樣化應(yīng)用場(chǎng)景及高質(zhì)量用戶體驗(yàn)的安全需求。一方面，用戶間復(fù)雜的密鑰管理、分發(fā)及更新過(guò)程涉及復(fù)雜的認(rèn)證協(xié)議，該方法在海量作戰(zhàn)單元中難以實(shí)施。另一方面，傳統(tǒng)的加密算法在發(fā)送端與接收端的加解密過(guò)程，顯著加大了處理時(shí)延，無(wú)法滿足低時(shí)延業(yè)務(wù)的需求。

與基于密碼的加密技術(shù)不同，物理層安全技術(shù)不對(duì)藍(lán)方竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的計(jì)算和存儲(chǔ)能力、加解密算法的強(qiáng)度等進(jìn)行假設(shè)。物理層安全技術(shù)從信息論的角度出發(fā)，以滿足香農(nóng)“一次一密”安全條件為目標(biāo)，致力于實(shí)現(xiàn)完美的信息安全。物理層安全技術(shù)充分利用了無(wú)線信道的隨機(jī)特性(如環(huán)境噪聲、隨機(jī)衰落等)，通過(guò)設(shè)計(jì)合理的物理層技術(shù)，達(dá)成以下目的：一方面，需要實(shí)現(xiàn)合法用戶傳輸速率逼近安全通信信道容量，從而滿足合法用戶頂層業(yè)務(wù)的通信QoS要求；另一方面，需要實(shí)現(xiàn)竊聽(tīng)者的信道互信息趨近于0，使得竊聽(tīng)者對(duì)信息的疑義度與該信息的信息熵相等，造成竊聽(tīng)者無(wú)法獲得任何有用信息，實(shí)現(xiàn)安全通信。與加密技術(shù)不同，物理層安全技術(shù)不需要引入額外計(jì)算開(kāi)銷，不僅極大地節(jié)省了系統(tǒng)開(kāi)銷，還降低了處理時(shí)延，更符合未來(lái)作戰(zhàn)業(yè)務(wù)的需求。此外，物理層安全技術(shù)可以作為經(jīng)典加密機(jī)制的安全補(bǔ)充策略，可進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)鏈的安全性能。

為了便于研究物理層信息安全，文獻(xiàn)[5]提出了竊聽(tīng)信道模型，并指出當(dāng)竊聽(tīng)信道退化，即己方節(jié)點(diǎn)間通信信道質(zhì)量?jī)?yōu)于竊聽(tīng)信道質(zhì)量時(shí)，利用調(diào)制編碼的方式從理論上達(dá)到理想信息安全。在紅藍(lán)對(duì)抗環(huán)境中，紅方機(jī)載節(jié)點(diǎn)間的通信信道常好于藍(lán)方竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)的竊聽(tīng)信道，原因如下：一方面，紅方機(jī)載節(jié)點(diǎn)的通信距離一般更近，路徑損耗所造成的信號(hào)衰落更小；另一方面，紅方機(jī)載節(jié)點(diǎn)常利用定向天線傳輸消息，天線主瓣方向的功率遠(yuǎn)大于旁瓣方向的功率。因此，Wyner竊聽(tīng)模型符合空基數(shù)據(jù)鏈應(yīng)用場(chǎng)景。傳統(tǒng)性能指標(biāo)均假設(shè)發(fā)送和接收碼字的長(zhǎng)度為無(wú)限長(zhǎng)，從而以信息論為依據(jù)，提出了疑義度、互信息量等性指標(biāo)。這對(duì)實(shí)際的編碼調(diào)制方案的設(shè)計(jì)帶來(lái)不便[6]。為了更加方便地量化有限長(zhǎng)編碼調(diào)制方案的性能，文獻(xiàn)[7]提出了一種稱為安全界的評(píng)價(jià)指標(biāo)，即合法用戶正常通信(即誤比特率小于傳輸閾值)所需的信噪比(signal-to-noise，SNR)與竊聽(tīng)用戶無(wú)法獲取信息(即誤比特率大于安全閾值)所需SNR的差值。數(shù)據(jù)鏈系統(tǒng)中，路徑衰落為信號(hào)衰落的主要因素。基于此，安全界可對(duì)應(yīng)安全間距，即達(dá)成所需的信息安全，藍(lán)方竊聽(tīng)者距離紅方信息接收者的最短距離。根據(jù)定義，安全間距越小，則安全界越小，在實(shí)際紅藍(lán)對(duì)抗過(guò)程中紅方數(shù)據(jù)鏈所承載的信息也就更安全。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)編碼調(diào)制方案，使得安全界更低，進(jìn)一步壓縮安全間距是本文的研究目標(biāo)。

目前，學(xué)術(shù)界已提出眾多的物理層方案來(lái)降低安全界。文獻(xiàn)[7]同時(shí)也提出了一種打孔低密度奇偶校驗(yàn)(low density parity check code,LDPC)碼編碼調(diào)制方案。發(fā)送端將消息比特打孔并僅傳輸校驗(yàn)比特，接收端則根據(jù)校驗(yàn)比特的接收值，利用置信傳播算法恢復(fù)消息比特。相比于傳統(tǒng)編碼調(diào)制方案，打孔方案將所需的安全界從幾十分貝的量級(jí)降低到了幾分貝的量級(jí)。在此基礎(chǔ)上，后續(xù)的研究工作提出了不同的編碼調(diào)制方案，進(jìn)一步優(yōu)化了安全界。文獻(xiàn)[8]利用格碼的優(yōu)異性能，針對(duì)高斯竊聽(tīng)信道提出了一種格碼陪集編碼調(diào)制方案。文獻(xiàn)[9]提出了一種極化碼和LDPC碼的級(jí)聯(lián)編碼調(diào)制方案，并利用密度演進(jìn)理論對(duì)通信安全性能進(jìn)行了分析。文獻(xiàn)[10]提出了一種隨機(jī)編碼方案，利用陪集理論分別構(gòu)造出卷積碼和Turbo碼的編碼調(diào)制方案。文獻(xiàn)[11]提出了一種擾亂矩陣技術(shù)，是目前通信安全性能最好的編碼調(diào)制方案。發(fā)送端在進(jìn)行糾錯(cuò)編碼之前，將消息比特序列與一個(gè)非退化的擾亂矩陣相乘。而接收端在進(jìn)行糾錯(cuò)譯碼之后，將譯碼后的比特序列乘以該擾亂矩陣的逆矩陣，即可得到消息比特序列。對(duì)于原本一個(gè)比特的譯碼錯(cuò)誤，經(jīng)過(guò)矩陣相乘后錯(cuò)誤比特?cái)?shù)量會(huì)放大到逆矩陣的列重。對(duì)于占據(jù)了更差信道的竊聽(tīng)者，其竊聽(tīng)的消息錯(cuò)誤將會(huì)更多，從而降低了安全界。

為了進(jìn)一步降低安全界，本文提出一種新型的部分空間耦合擾亂LDPC編碼調(diào)制技術(shù)。發(fā)送端將若干個(gè)碼字序列進(jìn)行部分耦合，將前一個(gè)碼字的消息比特序列與后續(xù)碼字的消息比特進(jìn)行比特異或。接收端在進(jìn)行譯碼時(shí)，將每一個(gè)碼字的譯碼結(jié)果反饋回解調(diào)器，作為后續(xù)碼字的先驗(yàn)信息進(jìn)行解調(diào)。如此，本技術(shù)使得碼字之間產(chǎn)生了關(guān)聯(lián)，一個(gè)碼字的譯碼錯(cuò)誤會(huì)影響后續(xù)碼字的譯碼結(jié)果。對(duì)于工作在差信道質(zhì)量的竊聽(tīng)方，錯(cuò)誤傳遞現(xiàn)象會(huì)進(jìn)一步惡化譯碼性能，降低消息竊取概率。因此，部分空間耦合技術(shù)可以在擾亂矩陣技術(shù)的性能上進(jìn)一步降低物理層通信安全所需的安全界。

1 空間耦合LDPC碼編碼調(diào)制技術(shù)

1.1 安全界定義

設(shè)紅方主信道的SNR為SNRB、誤比特率(bit error ratio,BER)為PB，而藍(lán)方竊聽(tīng)者的SNR為SNRE、BER為PE。物理層通信安全的要求是滿足條件：

第一個(gè)條件代表紅方接收端的BER需要低于一個(gè)閾值PB,max，以滿足通信QoS要求；第二個(gè)條件是藍(lán)方竊聽(tīng)者譯碼的BER需要高于一個(gè)閾值PE,min，使得藍(lán)方無(wú)法獲取紅方的消息，以滿足通信安全。本文設(shè)PB,max=10?5，紅方接收端達(dá)到該BER時(shí)所需的最小SNR值為SNRmin。設(shè)PE,min=0.49，藍(lán)方竊聽(tīng)者低于該BER時(shí)所需的最大SNR值為SNRmax。安全界為二者之差，本文令SNRg=SNRmin?SNRmax。安全界衡量了編碼調(diào)制方案所需的主信道和竊聽(tīng)信道之間的信道質(zhì)量的最小差值。安全界越低的編碼調(diào)制方案的通信安全性能越好。

1.2 編碼調(diào)制方案

部分空間耦合擾亂編碼調(diào)制技術(shù)的示意圖如圖1所示。本節(jié)分別從編碼方案和譯碼方案出發(fā)，介紹本文提出的部分空間耦合LDPC碼編碼調(diào)制技術(shù)。

圖1 編碼調(diào)制技術(shù)的架構(gòu)示意圖

1.2.1編碼方案

1.2.2譯碼方案

由此，譯碼器計(jì)算出k位消息比特的后驗(yàn)LLR值，并將其傳遞給調(diào)制器，作為解調(diào)第i+1個(gè)碼字的先驗(yàn)LLR值，并重復(fù)上述過(guò)程直到解調(diào)譯碼出ρ個(gè)碼字。

2 安全性能分析

本節(jié)假定藍(lán)方竊聽(tīng)者采用超低靈敏度天線對(duì)紅方通信信號(hào)進(jìn)行竊聽(tīng)，并采用相同的解調(diào)譯碼算法、解密算法對(duì)信號(hào)進(jìn)行解析，從而獲取紅方信息。為了保證自身的安全，藍(lán)方竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)常處于紅方火力威脅范圍外的安全區(qū)域。因此，相比于紅方通信節(jié)點(diǎn)，藍(lán)方竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)更遠(yuǎn)離信源節(jié)點(diǎn)，其信號(hào)質(zhì)量要差于紅方通信節(jié)點(diǎn)的信號(hào)質(zhì)量。

本節(jié)分別從信息論和安全界的角度對(duì)性能進(jìn)行分析。在部分空間耦合LDPC碼編碼調(diào)制技術(shù)中，碼字間部分耦合，導(dǎo)致碼字間存在關(guān)聯(lián)且一個(gè)碼字的解調(diào)譯碼需要前序碼字的譯碼信息。因此，譯碼錯(cuò)誤將在碼字間傳遞。這種設(shè)計(jì)思路符合紅藍(lán)對(duì)抗場(chǎng)景中藍(lán)方竊聽(tīng)信道的信道質(zhì)量差于主信道的信道質(zhì)量的情形。

2.1 疑義度分析

本節(jié)首先從信息論的角度分析藍(lán)方竊聽(tīng)者的疑義度。對(duì)于第i個(gè)碼字，竊聽(tīng)者的信息熵為：

圖2分別給出了不同技術(shù)的信道互信息曲線和碼率Rs=0.25下竊聽(tīng)者的疑義度曲線。相比于擾亂矩陣技術(shù)，本文提出的空間耦合技術(shù)在低信噪比下可以取得更低的信道互信息和更高的疑義度。因此，對(duì)于工作在低信噪比的竊聽(tīng)者，其能獲得的信息量更低，更能保障信息安全。

圖2 擾亂編碼技術(shù)與空間耦合技術(shù)所對(duì)應(yīng)的信息論性能

2.2 安全界分析

本節(jié)利用有限長(zhǎng)LDPC碼進(jìn)行安全界性能驗(yàn)證，并將所提部分空間耦合LDPC碼編碼調(diào)制技術(shù)與打孔技術(shù)、擾亂矩陣技術(shù)進(jìn)行性能比較。其中，擾亂矩陣技術(shù)是目前安全界性能最好的技術(shù)。

本節(jié)采用文獻(xiàn)[7]中的LDPC碼，碼率為0.25且碼長(zhǎng)為3940。LDPC碼的校驗(yàn)節(jié)點(diǎn)度分布和變量節(jié)點(diǎn)度分布分別記錄在文獻(xiàn)[7]的式(11)和式(12)。設(shè)可靠性能界PB,max=10?5，安全性能界PE,min=0.49。表1記錄了不同技術(shù)所對(duì)應(yīng)的性能。

表1 LDPC在不同技術(shù)下的性能dB

圖3b描述了藍(lán)方竊聽(tīng)者使用不同技術(shù)下安全界與BER的曲線圖。在可靠性能界為10?5且安全界為0.49時(shí)，傳統(tǒng)編碼調(diào)制技術(shù)所需的安全界為26.15 dB，而打孔技術(shù)的安全界為9.15 dB。擾亂矩陣技術(shù)是目前安全界性能最好的技術(shù)，將安全界降低到了2.12 dB。在此基礎(chǔ)上，本文所提出的部分空間耦合技術(shù)通過(guò)在碼字之間引入關(guān)聯(lián)，將安全界進(jìn)一步降低到了1.43 dB，降低了0.69 dB。

圖3 不同技術(shù)的有限長(zhǎng)性能仿真

圖4所示為全向數(shù)據(jù)鏈空間輻射能量分布圖，其中d1為紅方可靠通信距離，即紅方接收節(jié)點(diǎn)與發(fā)射節(jié)點(diǎn)的最大距離，而d2為藍(lán)方安全通信距離，即為達(dá)到安全通信藍(lán)方竊聽(tīng)節(jié)點(diǎn)與紅方發(fā)射節(jié)點(diǎn)的最小距離。在設(shè)計(jì)過(guò)程中，通信數(shù)據(jù)鏈會(huì)根據(jù)作戰(zhàn)應(yīng)用設(shè)定通信可靠距離。根據(jù)路徑損耗公式，通信可靠距離與安全距離具有如下關(guān)系：

圖4 全向數(shù)據(jù)鏈通信示意圖

如表1所示，相比于傳統(tǒng)編碼調(diào)制技術(shù)，打孔技術(shù)將安全間距降低為傳統(tǒng)方法的9.7%，矩陣擾亂技術(shù)將安全距離降低到1.4%，而本文所提部分空間耦合擾亂編碼技術(shù)將安全間距進(jìn)一步降低到0.9%，將安全間距降低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)。相比于目前性能最優(yōu)的矩陣擾亂技術(shù)，將安全間距進(jìn)一步降低了0.5%。

2.3 復(fù)雜度分析

在擾亂矩陣技術(shù)中，消息比特序列需要乘以一個(gè)非退化的大小為k×k的矩陣，因此該方法在傳統(tǒng)編碼調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了O(wk+k2)的計(jì)算復(fù)雜度，其中w為擾亂逆矩陣的列重，而k為消息比特長(zhǎng)度。

部分空間耦合LDPC碼編碼調(diào)制技術(shù)在擾亂矩陣技術(shù)的基礎(chǔ)上增加了相鄰碼字間部分比特序列的異或運(yùn)算，每一個(gè)碼字需要額外進(jìn)行k次異或運(yùn)算，新增計(jì)算復(fù)雜度為O(k)。相比于擾亂矩陣技術(shù)為碼長(zhǎng)的二次方的復(fù)雜度，本文所提技術(shù)新增復(fù)雜度與碼長(zhǎng)線性相關(guān)。因此，本文所提部分空間耦合擾亂編碼調(diào)制技術(shù)新增的計(jì)算復(fù)雜度可忽略不計(jì)。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種基于部分空間耦合LDPC碼的信息安全技術(shù)，以抵抗高對(duì)抗環(huán)境下藍(lán)方對(duì)紅方數(shù)據(jù)鏈信息的竊聽(tīng)。不同于傳統(tǒng)基于計(jì)算復(fù)雜度、通過(guò)加解密算法的頂層保密技術(shù)，本文設(shè)計(jì)了物理層編譯碼技術(shù)、利用信號(hào)路徑損耗特性來(lái)保障信息安全。本文主要貢獻(xiàn)包括以下3個(gè)方面：1)提出了一種新型的編碼調(diào)制技術(shù)，通過(guò)異或運(yùn)算使得碼字間存在關(guān)聯(lián)；2)提出了一種新型的迭代解調(diào)譯碼技術(shù)，將擾亂逆矩陣的映射過(guò)程建模為奇偶校驗(yàn)過(guò)程，并給出了先驗(yàn)LLR值的計(jì)算方法；3)分別從信息論和有限長(zhǎng)仿真的角度驗(yàn)證了所提技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)，給出了數(shù)值結(jié)果。相比于目前性能最好的擾亂矩陣技術(shù)，本文所提技術(shù)不僅從理論上可以取得更低的竊聽(tīng)信道互信息和更高的疑義度，而且在碼率為0.25、碼長(zhǎng)為3940的性能仿真中將安全界進(jìn)一步降低0.69 dB。