唐 猛，李海華，謝靈運(yùn)，陳建華

(云南大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650500)

物理層網(wǎng)絡(luò)編碼(Physical-layer Network Coding，PNC)技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)編碼(Network Coding，NC)理論在無線通信網(wǎng)絡(luò)物理層中的應(yīng)用研究，以提高無線中繼網(wǎng)絡(luò)吞吐量為目的[1].NC 的核心在于中繼節(jié)點利用無線信號的疊加特性，將多路電磁波疊加融合，按設(shè)定的方案映射，并廣播傳送至終端節(jié)點.通過廣播，PNC 系統(tǒng)中所有的合法用戶與非法用戶都可以獲得中繼處理的信號，這給PNC 系統(tǒng)帶來了很大的安全挑戰(zhàn)[2].

為了保證非法用戶不能從合法用戶處獲得有效信息，PNC 的安全問題成為目前研究的一個熱點領(lǐng)域.文獻(xiàn)[3]利用信道激勵響應(yīng)參數(shù)，基于多路徑信道，設(shè)計了自動生成密鑰的PNC 系統(tǒng).文獻(xiàn)[4]利用雙向中繼網(wǎng)絡(luò)（Two-Way Relay Network,TWRN）中結(jié)構(gòu)化干擾，設(shè)計了具有嵌入式保密性的PNC 方案.文獻(xiàn)[5]介紹了一種基于NC 和物理層保密的聯(lián)合保密系統(tǒng)，用戶能根據(jù)所需的保密性和吞吐量自由調(diào)整系統(tǒng).文獻(xiàn)[6]基于多中繼（Multi-Relay，MR）網(wǎng)絡(luò)，開發(fā)了用于描述竊聽者攔截的編碼數(shù)據(jù)包部分或全部恢復(fù)機(jī)密數(shù)據(jù)的可能性的框架.文獻(xiàn)[7]提出基于數(shù)據(jù)加密標(biāo)準(zhǔn)（Data Encryption Standard，DES）的3 層加密方案，提高系統(tǒng)對各種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境的適應(yīng)性.

考慮到實際通信過程，往往需要多用戶或多中繼各司其職，共同協(xié)作才能成功進(jìn)行信息交換.文獻(xiàn)[8]針對多用戶多中繼PNC 網(wǎng)絡(luò)提出一種空間調(diào)制和分層調(diào)制協(xié)作傳輸方案，有效改善系統(tǒng)誤碼率（Bit Error Rate，BER）性能.文獻(xiàn)[9]從多用戶檢測角度構(gòu)造了多路中繼信道中的PNC 方案，并提出了一種中繼功率分配方案，利用最佳用戶配對策略減少用戶終端的解碼錯誤率，實現(xiàn)系統(tǒng)性能的改進(jìn).

此外，PNC 系統(tǒng)與編碼技術(shù)、調(diào)制方式的綜合應(yīng)用也是改善數(shù)據(jù)傳輸有效性的可靠方案.文獻(xiàn)[10]設(shè)計了一種非相干雙向中繼PNC 系統(tǒng)，聯(lián)合多路頻移鍵控調(diào)制，在衰落信道具有更高的能量效率.文獻(xiàn)[11]將PNC、低密度奇偶校驗(Low-Density Parity-Check，LDPC)碼與M 相移鍵控調(diào)制聯(lián)合設(shè)計，并改進(jìn)了解碼所需的算法.文獻(xiàn)[12]為改善非對稱環(huán)境中的誤碼性能，提出聯(lián)合分層(2/4-PSK)調(diào)制的PNC 方案.

針對以上研究，本文將著重研究多中繼PNC通信系統(tǒng)的安全問題與誤碼性能.首先闡述了三中繼PNC 加密模式的加密機(jī)制，分析DES 算法、高級加密標(biāo)準(zhǔn)（Advanced Encryption Standard，AES）算法的流程與原理；然后構(gòu)建了基于正交相移鍵控（Quadrature Phase Shift Keying,QPSK）調(diào)制的PNC 與LDPC 碼、AES/DES 算法聯(lián)合設(shè)計的多中繼通信系統(tǒng)，給出聯(lián)合系統(tǒng)中LDPC 碼的譯碼算法；最后，從運(yùn)行效率、加密效果與算法安全性對AES/DES 兩種加密算法進(jìn)行對比研究，給出較優(yōu)方案建議，并對是否含信道編碼對系統(tǒng)性能的影響進(jìn)行仿真測試.實驗結(jié)果表明，聯(lián)合加密算法提高了系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩?，而LDPC 碼有效地保障了該系統(tǒng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?

1 系統(tǒng)模型

多中繼PNC 加密通信系統(tǒng)包括兩個核心模塊：數(shù)據(jù)加解密模塊和信息傳輸模塊.以往的研究主要集中在數(shù)據(jù)加密階段的密鑰生成方法，很少關(guān)注信息傳輸階段的加密和解密過程.本文將構(gòu)建多中繼PNC 與加密技術(shù)聯(lián)合的通信系統(tǒng)，著重研究了數(shù)據(jù)加密算法與多中繼PNC 模式中信息的傳輸性能.為簡化理論分析過程，文中將以三中繼雙向P NC 加密傳輸模型為例進(jìn)行闡述.

1.1 三中繼雙向PNC 加密傳輸模型三中繼系統(tǒng)雙向PNC 加密傳輸模型的工作原理如圖1 所示.其中，節(jié)點A、B 為通信系統(tǒng)的終端節(jié)點，E 為竊聽節(jié)點，R1、R2、R3對應(yīng)的為具有編碼轉(zhuǎn)發(fā)功能的中繼節(jié)點.此外，所有信道的傳輸條件都相同，均為對稱信道，節(jié)點之間收發(fā)信息嚴(yán)格同步，各節(jié)點不僅收發(fā)對應(yīng)的信息流，也會存儲此信息流的一個副本，以檢測新信息.

如圖1 所示，在時隙1，A、B 節(jié)點加密第一段信息流sA1和sB1，從而得到信息流kA1和kB1，然后發(fā)送至中繼R1、R3處.其中，A1、B1 分別表示節(jié)點A、B 第一次發(fā)送信息.

圖1 三中繼雙向PNC 加密傳輸模型Fig.1 Three-relay two-way PNC encrypted transmission model

時隙2 中，R1、R3存儲上一時隙廣播的kA1和kB1，并轉(zhuǎn)發(fā)到中繼R2，R2對接收到kA1和kB1疊加信號通過固定的，得到編碼信息kA1⊕kB1.

在時隙3，R2發(fā)送信息流kA1⊕kB1，此時竊聽節(jié)點E 也接收到kA1⊕kB1信息流的部分信息.同時A、B 節(jié)點向R1、R3發(fā)送第二段加密信息流kA2和kB2，R1、R3接收廣播信號與時隙2 中所保留的kA2和kB2的副本聯(lián)合映射，分別得到信息流kA2⊕kB1、kA1⊕kB2，處理過程如下：

1.2 數(shù)據(jù)加密算法考慮到系統(tǒng)的數(shù)據(jù)傳輸量與復(fù)雜性，本文基于PNC 傳輸模式，選擇加解密效率較高的AES、DES 加密技術(shù)，綜合比較兩種方案的安全性能，選擇較優(yōu)加密算法.

文中設(shè)計的數(shù)據(jù)加密模塊中，加解密操作中使用的密鑰均來源于信道的容量.利用信道參數(shù)計算密鑰，可以在不交換密鑰的情況下生成相同的密鑰，因此竊聽者無法獲得有關(guān)所生成密鑰的任何信息.因為信道的傳輸條件相同，所以系統(tǒng)兩終端的容量相同.故系統(tǒng)運(yùn)行前根據(jù)香農(nóng)定理，計算信道容量c，進(jìn)而轉(zhuǎn)化成密鑰k，如

1.2.1 DES 加密算法 DES 加密算法[13]結(jié)構(gòu)如圖2 所示，算法的加密與解密結(jié)構(gòu)相似，區(qū)別在于16 輪子密鑰的使用順序與加密過程相反.DES 算法主要有4 個核心步驟：

圖2 DES 算法原理框圖Fig.2 DES algorithm principle block diagram

（1）初始置換 首先對輸入的64 位明文進(jìn)行初始置換，明文信息的排列順序改變，再將置換后的明文等分成左右兩部分Li和Ri，分別表示明文的左32 位和右32 位.

（2）16 輪迭代 對兩組明文利用輪密鑰加密，每一輪的加密算法都相同.上一輪生成的Li-1和Ri-1是下一輪的輸入，再輸出32 位的Li和Ri.迭代規(guī)則為Li=Ri-1和Ri=Li⊕f(Ri,Ki)(i=1,2,···,16)，其中，f表示置換函數(shù)，⊕表示異或，Ki表示輪密鑰.

（3）終止置換 對經(jīng)過16 輪迭代結(jié)果進(jìn)行逆初始置換，輸出64 位加密密文.

（4）輪密鑰生成 DES 算法中需要經(jīng)過16輪迭代，因此需通過置換循環(huán)生成16 組輪密鑰，應(yīng)用到加解密過程中.

1.2.2 AES 加密算法 AES 加密算法[13-14]與DES算法相同，也采用對稱的分組密碼體制，加解密過程可逆.AES 算法的基本過程如圖3 所示，核心部分如下：

圖3 AES 算法原理框圖Fig.3 AES algorithm principle block diagram

（1）密鑰擴(kuò)展，輪密鑰生成 密鑰擴(kuò)展算法通過循環(huán)左移、S 盒映射、RC 數(shù)組異或?qū)?28 位初始密鑰擴(kuò)展成11 個128 位的子密鑰.

（2）10 次輪變換 輪變換部分包括字節(jié)代換、行移位、列混淆和輪密相加4 個過程.其中，最后一次輪變換只包括字節(jié)代換、行移位和輪密相加過程.

（3）加密與解密過程區(qū)別 AES 算法的解密過程與加密過程類似.區(qū)別一方面體現(xiàn)在10 輪子密鑰的使用順序，解密過程的使用順序與加密過程相反；另一方面體現(xiàn)在輪變換過程中，解密過程使用的字節(jié)代換、行移位、列混合過程都是加密過程中對應(yīng)過程的逆變換.

2 3R-PNC-AES-QPSK-LDPC 聯(lián)合通信加密系統(tǒng)方案

2.1 3R-PNC-AES-QPSK-LDPC 聯(lián)合通信系統(tǒng)本節(jié)將構(gòu)建AES 加密算法、QPSK 調(diào)制、LDPC 信道編碼和三中繼物理層網(wǎng)絡(luò)編碼（3R-PNC）聯(lián)合設(shè)計系統(tǒng) (3R-PNC-AES-QPSK-LDPC)，具體的通信系統(tǒng)由上行通信階段（圖4）和下行通信階段（圖5）構(gòu)成.

圖4 3R-PNC-AES-QPSK-LDPC 聯(lián)合系統(tǒng)上行階段框圖Fig.4 The model of 3R-PNC-AES-QPSK-LDPC joint system uplink stage

圖5 3R-PNC-AES-QPSK-LDPC 聯(lián)合系統(tǒng)下行階段框圖Fig.5 The model of 3R-PNC-AES-QPSK-LDPC joint system downlink stage

圖4 為3R-PNC-AES-QPSK-LDPC 聯(lián)合系統(tǒng)設(shè)計方案上行階段（含時隙1、2）.

時隙1：A、B 節(jié)點計算信道容量信息轉(zhuǎn)化處理生成密鑰k，利用k對第一段信息流sA1和sB1進(jìn)行AES 分組加密，輸出串聯(lián)密文信息流kA1和kB1.經(jīng)LDPC 編碼與QPSK 調(diào)制后得到xA1和xB1，通過信道傳輸?shù)竭_(dá)中繼R1、R3處，則R1、R3接收信息為yA1=xA1+nA-R1和yB1=xB1+nB-R3，nA-R1、nB-R3分別為A 到中繼R1、B 到R3間信道的噪聲.

時隙2：中繼R1、R3對yA1和yB1進(jìn)行置信度傳播（Belief Propagation，BP）譯碼，譯碼后再次編碼調(diào)制，經(jīng)信道傳輸?shù)玫叫畔⒘鱵R1和yR3，同時發(fā)送至中繼R2，R2接收的信息流yR2為信息流yR1和yR3的疊加，即yR2=yR1+yR3.

圖5 為3R-PNC-AES-QPSK-LDPC 聯(lián)合設(shè)計系統(tǒng)下行階段（含時隙3、4）.

時隙3：R2對疊加信息流yR2 進(jìn)行BP 譯碼，再按照PNC 映射規(guī)則對譯碼后的信息進(jìn)行映射得到sR2，其中，sR2=sR1⊕sR3.sR2經(jīng)過LDPC 編碼與QPSK 調(diào)制后，通過信道被廣播到中繼R1、R3處.同時，R1、R3也接收到來自A、B 節(jié)點發(fā)送的第二段加密信息流yA2和yB2.

時隙4：R1接收的信息流為yR2-R1與yA2的疊加，對疊加信息進(jìn)行BP 譯碼與PNC 映射后得到信息流sR1-AR2，繼續(xù)對sR1-AR2進(jìn)行編碼調(diào)制后，廣播到中繼R2和節(jié)點A.節(jié)點A 對接收信息進(jìn)行譯碼與分組解密后，得到信息流sB1-A，sB1-A=sB1⊕sA2，然后與節(jié)點A 上一時隙存儲的信息流sB2進(jìn)行比特異或，接收節(jié)點B 發(fā)送的第一段信息流運(yùn)算過程如下：

節(jié)點B 同樣通過譯碼解密、異或，獲得節(jié)點A發(fā)送的第一段信息流系統(tǒng)完成第一次信息交換.之后的信息交換流程，原理相同.

此外，DES 加密算法、QPSK 調(diào)制、LDPC 信道編碼和3R-PNC 的聯(lián)合設(shè)計系統(tǒng)3R-PNC-DESQPSK-LDPC，與基于AES 算法的系統(tǒng)流程類似，不再詳述.

2.2 3R-PNC-AES-QPSK-LDPC 系統(tǒng)譯碼算法由于該系統(tǒng)采用QPSK 調(diào)制，可以看作兩路正交的BPSK 信號的疊加.因此我們將選取系統(tǒng)中繼R2接收的同相（I 路）信號進(jìn)行對數(shù)似然比置信傳播(Log Likelihood Ratio-Belief Propagation,LLRBP)譯碼算法分析.根據(jù)前文可知，在加性高斯白噪聲(Additive White Gaussian Noise,AWGN)信道下，中繼R2收到第i位信號的同相部分可表示為

表1 聯(lián)合系統(tǒng)中繼R2 接收同相信號映射方案Tab.1 The scheme for mapping the In-phase signal received by relay R2 of the joint system

考慮到文中設(shè)計方案是基于AWGN 信道，所以當(dāng)調(diào)制發(fā)送信息值為m，接收信息值為Y的概率如下[15]：

3 系統(tǒng)性能仿真及安全性分析

3.1 AES/DES 加密PNC 系統(tǒng)安全性能分析

AES 與DES 算法是典型的對稱密碼算法，均采用分組密碼體制：將待加密數(shù)據(jù)根據(jù)加密明文大小分成若干組加密，串聯(lián)輸出加密結(jié)果.本節(jié)將基于以圖像（Picture，PIC）作為原始數(shù)據(jù)輸入的單中繼PICPNC-AES/DES 系統(tǒng)，以二進(jìn)制數(shù)據(jù)為原始數(shù)據(jù)輸入的單中繼PNC-AES/DES、PNC-AES/DES-QPSKLDPC 系統(tǒng)和三中繼3R-PNC-AES/DES-QPSKLDPC 系統(tǒng)，從運(yùn)行效率、加密效果與算法安全性3 個方面分析這兩種算法優(yōu)缺點，探討其應(yīng)用在PNC 系統(tǒng)中的可行性.

（1）運(yùn)行效率 基于Matlab 開發(fā)平臺，對4 096比特數(shù)據(jù)與512×512 像素大小的圖像在不同通信系統(tǒng)中進(jìn)行仿真.對比使用兩種加密算法系統(tǒng)的運(yùn)行時間分析系統(tǒng)運(yùn)行效率.表2 展示了仿真數(shù)據(jù)量相同情況下，PIC-PNC-AES/DES、PNC-AES/DES、PNC-AES/DES-LDPC，與3R-PNC-AES/DES、3RPNC-AES/DES-LDPC 的運(yùn)行時間對比.即使在加密大量圖像數(shù)據(jù)的PIC-PNC-AES/DES 系統(tǒng)中，DES 算法的運(yùn)行時間也是AES 算法的5 倍多，AES 算法依然保持較高的運(yùn)行效率.在含有信道編碼的復(fù)雜系統(tǒng)PNC-AES/DES-LDPC 與3R-PNCAES/DES-LDPC 中，DES 算法的系統(tǒng)運(yùn)行時間是AES 算法的1 倍多.因此，AES 算法的運(yùn)行效率較DES 算法具有明顯優(yōu)勢.

表2 AES 與DES 算法加密時間Tab.2 AES and DES algorithm encryption times

（2）加密效果 為了降低系統(tǒng)復(fù)雜性與圖像傳輸壓力，在系統(tǒng)傳輸之前，對圖像進(jìn)行壓縮編碼.圖6 為壓縮處理前后的圖像及其灰度值的直方圖統(tǒng)計結(jié)果.圖7 和圖8 分別為壓縮圖像在PIC-PNCAES/DES 系統(tǒng)中加解密前后圖像與直方圖統(tǒng)計結(jié)果.圖7 和圖8 中的（a）圖為加密后圖像，圖像由沒有規(guī)則的黑白點組成，未暴露原始圖像信息的任何特征，實現(xiàn)了加密效果.根據(jù)加密前后圖像直方圖統(tǒng)計結(jié)果可以看到，加密后圖像的灰度值分布更加均勻，加密實現(xiàn)了對原始圖像統(tǒng)計特性的改變.根據(jù)解密后圖像與直方圖統(tǒng)計結(jié)果可以看出，信道條件較好時，經(jīng)系統(tǒng)傳輸后的數(shù)據(jù)解密與解壓縮后可以恢復(fù)出原始圖像.兩種算法均可達(dá)到良好的加解密效果，實現(xiàn)系統(tǒng)的加解密需求.圖9 為圖像經(jīng)過兩種加密算法后的數(shù)據(jù)在系統(tǒng)中傳輸BER 性能.PIC-PNC-QPSK 表示圖像在不含加密算法的系統(tǒng)中傳輸?shù)腂ER 性能.PIC-PNCAES-QPSK、PIC-PNC-DES-QPSK 分別為原始圖像在含AES 和DES 算法的系統(tǒng)中加解密前后傳輸?shù)腂ER 性能.由圖9 可以看出，在BER 為 10-2數(shù)量級，PIC-PNC-AES-QPSK 系統(tǒng)的BER 性能比PIC-PNC-DES-QPSK 系統(tǒng)性能損失約0.4 dB，因為AES 算法加解密過程數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換更加復(fù)雜，對傳輸信道條件要求更高.

圖6 壓縮前后直方圖Fig.6 Histogram before and after image compression

圖7 PIC-PNC-DES 系統(tǒng)加解密圖像直方圖Fig.7 Histogram of PIC-PNC-DES system encryption and decryption image

圖8 PIC-PNC-AES 系統(tǒng)加解密圖像直方圖Fig.8 Histogram of PIC-PNC-AES-QPSK system encryption and decryption image

圖9 加解密前后圖像傳輸誤碼率性能Fig.9 BER performance of image transmission before and after encryption and decryption

（3）算法安全性 DES 算法作為經(jīng)典加密算法，具有較高的安全性.但是，由于DES 算法有效密鑰只有56 位，通過窮舉搜索攻擊256次可以破解DES 算法，導(dǎo)致DES 算法面臨更大的安全威脅.AES 算法所需最短密鑰為128 位，利用窮舉攻擊至少需要處理2128種密鑰，在時間和空間上都是當(dāng)前的研究水平無法實現(xiàn)的，因此AES 算法具有更高安全性.綜合以上3 個方面，AES 算法優(yōu)勢更大，將AES 算法與多中繼PNC 系統(tǒng)聯(lián)合設(shè)計，可有效提 升系統(tǒng)的安全性能.

3.2 MR-PNC-AES/DES-QPSK系統(tǒng)仿真本節(jié)以3R-PNC 系統(tǒng)為例，驗證聯(lián)合不同加密算法的多中繼PNC 系統(tǒng)的性能.所有實驗中各節(jié)點嚴(yán)格同步，信道嚴(yán)格對稱.信道為均值為0、方差為1 的AWGN信道，信噪比范圍為-5 至20 dB.通過Matlab 自帶偽隨機(jī)數(shù)生成函數(shù)randi，生成32 768 比特的數(shù)據(jù).系統(tǒng)采用的LDPC 碼長為256，碼率0.25，譯碼最多迭代次數(shù)30 次.

圖10 為PNC-AES/DES-QPSK、3R-PNC-AES/DES-QPSK、PNC-AES/DES-QPSK-LDPC 系統(tǒng)加密后的數(shù)據(jù)在傳輸模塊的BER 性能.根據(jù)圖10 發(fā)現(xiàn)，MR-PNC-AES-QPSK 與 MR-PNC-DES-QPSK系統(tǒng)在相同中繼數(shù)時，性能差小于0.01 dB；當(dāng)BER為10-3時，3R-PNC-AES/DES-QPSK 比PNC-AES/DES-QPSK 系統(tǒng)性能損失約2.5 dB；當(dāng)BER 為 10-4時，PNC-AES/DES-QPSK-LDPC 比PNC-AES/DESQPSK 系統(tǒng)性能提升約7.5 dB.根據(jù)以上數(shù)據(jù)可以得到如下結(jié)論：

圖10 MR-PNC-AES/DES-QPSK 和PNC-AES/DESQPSK-LDPC 傳輸模塊BER 性能Fig.10 BER performance of MR-PNC-AES/DES -QPSK and PNC-AES/DES-QPSK-LDPC system

（1）MR-PNC-AES-QPSK 與MR-PNC-DES-QPSK 系統(tǒng)傳輸性能相近，因為本文通過設(shè)置相同的通信傳輸環(huán)境，確保只存在唯一變量，以便對比分別采用AES 與DES 算法的聯(lián)合系統(tǒng)加密模塊的性能.

（2）PNC-AES/DES-QPSK系統(tǒng)性能優(yōu)于3RPNC-AES/DES-QPSK 系統(tǒng).隨著中繼數(shù)量的增加，系統(tǒng)中各節(jié)點處理的信息為多個信號的疊加編碼形式，較單中繼系統(tǒng)更為復(fù)雜，同時信息傳輸經(jīng)過的映射與污染次數(shù)也增加，致使系統(tǒng)性能變差.

（3）通過對比PNC-AES/DES-QPSK-LDPC 與PNC-AES/DES-QPSK 系統(tǒng)性能，聯(lián)合LDPC 碼后，系統(tǒng)BER 性能明顯改善.

圖11 為3R-PNC-AES/DES-QPSK、3R-PNCAES/DES-QPSK-LDPC 系統(tǒng)傳輸模塊BER 性能，在BER為10-3數(shù)量級上，3R-PNC -AES/DES-QPSKLDPC 比3R-PNC-AES/ DES-QPSK系統(tǒng)性能提升約8dB.通過對三中繼系統(tǒng)中有無信道編碼進(jìn)行仿真分析可知，引入LDPC 碼可以有效改善系統(tǒng)因中繼數(shù)量增加帶來的性能損失，在保證良好的BER性能的基礎(chǔ)上提升系統(tǒng)傳輸可靠性.

圖11 3R-PNC-AES/DES-QPSK-LDPC系統(tǒng)BER性能Fig.11 BER performance of 3R-PNC-AES/DES-QPSKLDPC system

選取圖像數(shù)據(jù)進(jìn)入系統(tǒng)傳輸，可直觀對比引入LDPC 碼后，系統(tǒng)性能的提升對圖像解密的影響.圖12 和圖13 展示了在SNR=8 dB 時，加密后的圖像在PIC-PNC-AES、PIC-PNC-AES-LDPC 系統(tǒng)中傳輸解密的結(jié)果.在PIC-PNC-AES 系統(tǒng)中，傳輸誤碼率較高，解密后數(shù)據(jù)仍然無法獲得原始圖像的有效信息，如圖12 所示.而引入LDPC 碼后，系統(tǒng)的圖像解密效果得到明顯改善，可以恢復(fù)出原始圖像，如圖13 所示.

圖12 PIC-PNC-AES 系統(tǒng)傳輸性能Fig.12 The transmission performance of PIC-PNC-AES system

圖13 PIC-PNC-AES-LDPC 系統(tǒng)傳輸性能Fig.13 The transmission performance of PIC-PNC-AESLDPC system

圖14 為3R-PNC-AES/DES-QPSK 系統(tǒng)有無LDPC 碼加解密前后BER 性能.根據(jù)圖14，在BER為0.05 時，3R-PNC-DES-QPSK 性能僅優(yōu)于3R-PNCAES-QPSK 系統(tǒng)約0.9 dB，3R-PNC-AES-QPSK-LDPC比3R-PNC-DES-QPSK-LDPC 系統(tǒng)性能損失約1 dB.此外，3R-PNC-AES/DES-QPSK 系統(tǒng)在信噪比大于16 dB 時，解密后數(shù)據(jù)可以完全恢復(fù)出原始數(shù)據(jù).3R-PNC-AES/DES-QPSK-LDPC 系統(tǒng)在信噪比大于9 dB 時，可以完全解密恢復(fù)出原始數(shù)據(jù).此外，Eva 曲線展示了第三方對系統(tǒng)竊聽的結(jié)果，BER 性能均接近1，即不能解碼出正確信息，由此驗證竊聽者無法獲得有效信息，故采用的加密模塊可以有效保證系統(tǒng)傳輸?shù)陌踩?

圖14 3R-PNC-AES/DES-QPSK-LDPC系統(tǒng)BER性能Fig.14 BER performance of 3R-PNC-AES/DES-QPSKLDPC system

4 總結(jié)

針對多中繼通信系統(tǒng)的傳輸有效性與安全性問題，本文設(shè)計了聯(lián)合加密算法的多中繼PNC 系統(tǒng).分析三中繼雙向PNC 加密傳輸模式的運(yùn)行機(jī)制，探討DES 與AES 算法的工作流程，構(gòu)建了3RPNC-AES-QPSK-LDPC 聯(lián)合系統(tǒng)，給出系統(tǒng)的譯碼算法.文中基于單中繼PIC-PNC-AES/DES、PNCAES/DES-QPSK，與三中繼3R-PNC-AES/DES-QPSKLDPC，從運(yùn)行效率、加密效果與算法安全性方面分析兩種算法，并給出建議方案.實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的AES 算法、LDPC 碼與多中繼PNC 聯(lián)合系統(tǒng)，在保證系統(tǒng)傳輸?shù)挠行院涂煽啃缘那疤嵯?，以較小的BER 性能損耗為代價，有效提升了系統(tǒng)運(yùn)行效率與傳輸安全性.

文中加密模塊采用AES/DES 加密算法，來展開對多中繼PNC 系統(tǒng)安全性能研究.為進(jìn)一步提升系統(tǒng)傳輸安全性，將結(jié)合保密性能更高的算法與分組體制進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計.文中設(shè)定信道均為AWGN信道，考慮到實際信道中的衰落問題與多中繼PNC系統(tǒng)復(fù)雜多變的信道狀態(tài)，中繼選擇與增加仿真環(huán)境多樣性也是接下來的研究方向.