CN105141412A - 一种基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法，包括：1)将待传输的多媒体业务流划分为k个信息包；2)在当前传输间隙T_s内基站端采用喷泉编码方法对该传输间隙对应的信息包进行编码，得校验包；3)在当前传输间隙T_s内基站端向所有多播组用户广播步骤2)得到的校验包；4)基站端将第i个用户成功接收的校验包添加到成功接收校验包集合中，同时对第i个用户成功接收的校验包进行解码，并将解码得到的信息添加到已解码信息包序号集合D_i中；5)重复步骤2)、3)及4)，直至k个信息包传输完为止；6)当已解码信息包序号集合中的元素个数均为k时，则完成多媒体业务流的传输。本发明能够传输效率高，并且安全性和可靠性较高。

Description

一种基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，涉及一种基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法。

背景技术

随着蜂窝网络中无线多媒体终端的普及，人们对无线多媒体业务与应用的需求与日剧增，其中一些业务或应用是同时被多个用户需求的，比如视频会议，移动电视，微博的发布，手机网游等。随着用户数的增多，这类业务将消耗大量的空口资源，提高了其成本并严重阻碍新业务的发展与普及，因此具有资源利用率高、实时性强、传输速率快等特征的无线多播技术为蜂窝网络中多媒体业务的发展提供了良好的发展契机。

无线多播是指在公共的无线信道上同时为多个用户传输多媒体数据。这种点到多点的传输方式受益于无线信道的广播特性，仅需一个信道即可同时为多个用户进行多播传输，因此比起单播的传输方式能够节约更多的信道资源。在多播系统中存在着大量的多播用户，他们需求相同的高质量多媒体数据，但由于分布位置不同、遮挡和多径衰落等因素，他们的信道质量可能相差巨大，此时为了保证公平性，发送端选择较低的调制编码方式，以低速率传输多播数据，保证多播业务能覆盖到尽可能多的业务；换言之，在多播系统中，信道条件较差的用户大大限制了多播系统的频谱效率。同时，基于时变衰落信道带来的影响，发送端无法保证所有用户都能准确收到每个数据符号，此时接收端就会面临丢包的问题。为了保证可靠传输需要对这些丢包进行反馈重传，但多播系统由于是多用户系统，每个用户的丢包可能发生在不同的时隙，因此可能有多个用户丢失不同的包，但是大量反馈过程将严重占用系统的资源，甚至可能造成“反馈风暴”导致正常信息传输的中断。因此多播技术中研究如何提高传输效率、保障安全可靠传输具有重大的意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法，该方法能够传输效率高，并且安全性和可靠性较高。

为达到上述目的，本发明所述的基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法包括以下步骤：

1)将待传输的多媒体业务流划分为k个信息包s₁,s₂,...,s_k，其中，一个信息包在一个传输间隙进行编码及传输；

2)在当前传输间隙T_s内基站端采用喷泉编码方法对该传输间隙对应的信息包进行编码，得校验包；

3)在当前传输间隙T_s内基站端向所有多播组用户广播步骤2)得到的校验包；

4)当第i个用户接收到所述校验包时，则对外广播一个ACK信号，告知基站端第i个用户已成功接收所述校验包，基站端将第i个用户成功接收的校验包添加到成功接收校验包集合中，同时对第i个用户成功接收的校验包进行解码，并将解码得到的信息添加到已解码信息包序号集合D_i中，其中，i∈[1,M]，M为能够成功接收到校验包的用户数；

5)重复步骤2)、3)及4)，直至k个信息包传输完为止；

6)基站端判断各已解码信息包序号集合中的元素个数是否为k，当各已解码信息包序号集合中的元素个数均不为k时，则重复步骤2)、3)、4)及5)；当已解码信息包序号集合中的元素个数均为k时，则完成多媒体业务流的传输。

步骤3)中在当前传输间隙T_s内基站端以固定功率向所有多播组用户广播步骤2)得到的校验包。

基站端以固定功率通过数据链路层的CRC编码以及物理层的信道编码后经信道将校验包发送给所有多播组用户。

步骤2)中的喷泉编码方法的具体操作为：

a)基站端根据前一时隙内更新的M个已成功解码信息包序号集合D₁,D₂,...D_M分别确定各用户未成功解码信息包序号集合，得所有用户的信息包编码信息；

b)基站端根据步骤1)得到的所有用户的信息包编码信息设置编码结构矩阵P，其中，P为k×M阵，k为合法用户数目，编码结构矩阵P中第j个用户第i个信息p_ij∈{0,1}，p_ij＝0表示第j个用户在第i个信息包时解码成功，p_ij＝1表示第j个用户在第i个信息包时解码失败；

c)基站端记录编码结构矩阵P中的全0行和全1行的行标，并分别存储于矩阵ln_0和ln_1中；

d)当ln_1非空时，则将ln_0中的全部元素与ln_1中的随机一个元素所对应编号的信息包进行异或操作，并将异或操作的结果作为下一时隙的校验包符号输出；

当ln_1为空时，则判断ln_0中元素个数是否小于等于k/8，当ln_0中元素个数小于等于k/8时，则查找编码结构矩阵P中行和最大对应的行标，并将该行标对应编号的信息包与ln_0的全部元素对应编号的信息包进行异或操作，并异或操作的结果作为下一时隙的校验包符号输出；

当ln_1为空时，且当ln_0中元素个数大于k/8时，则将编码结构矩阵P去掉全0行后得到的矩阵中行和最小对应的行标组成的矩阵记作min_line，并将矩阵min_line的元素个数记为Num_min_line，从矩阵min_line中选出行数最多的若干行，其中，选择出来的所有行所组成的矩阵中各列和均小于2，然后将选择出来的行的行标对应编号的信息包与ln_0中的全部元素对应编号的信息包进行异或操作，并将异或操作的结果作为下一时隙的校验包符号输出。

步骤4)中对第i个用户成功接收的校验包进行解码，并将解码得到的信息添加到已解码信息包序列号集合D_i中的具体操作为：

在第i个用户的所有校验包中找到度为1的校验包，若第i个用户的所有校验包中没有度为1的校验包时，则基站端在第p个时隙对第i个用户的模拟解码操作终止；若第i个用户的所有校验包中存在度为1的校验包s_n时，令其中，将校验包s_n与所有和校验包s_n有联系的校验包进行异或操作，再删除所有与校验包s_n有联系的校验包，然后将异或操作的结果作为新的校验包s_n加入已解码信息包序号集合D_i中。

步骤a)中确定各用户未成功解码信息包序号集合的具体操作为：

设k个信息包组成的序列集合为I＝{s₁,s₂,...,s_k}，前一时隙基站端的得到的已成功解码信息包序号集合为D_i，则未成功解码信息序号包集合为：

U_i＝C_ID_i。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法在进行信息的传输过程中，基站端采用喷泉编码方法对信息包进行编码，得校验包，然后将所述校验包广播至所有多播组用户，可以显著降低蜂窝网络多媒体多播传输过程中窃听用户的截获概率同时提高了信息传输效率。当用户成功接收到校验包时，则只需对外广播一个ACK信号，告知基站端用户已成功接收到所述校验包，避免反馈过程严重占用系统资源，使信息能够稳定地传输，保证信息传输的可靠性。

进一步，本发明通过对喷泉编码过程中的度及所选信息包的序号两个参数进行控制以保证多播组用户先于窃听用户解码成功，与传统LT编码方案相比安全性较高。

附图说明

图1为本发明的模型图；

图2为本发明中基站端的操作流程图；

图3为本发明的仿真实验中Eve处于不同位置时窃听者截获概率对比图；

图4为本发明的仿真实验中Eve处于不同位置时基站端传输效率对比图；

图5为本发明的仿真实验中合法用户个数变化时窃听者截获概率对比图；

图6为本发明的仿真实验中合法用户个数变化时基站端传输效率对比图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明所述的基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法包括以下步骤：

1)将待传输的多媒体业务流划分为k个信息包s₁,s₂,...,s_k，其中，一个信息包在一个传输间隙进行编码及传输；

2)在当前传输间隙T_s内基站端采用喷泉编码方法对该传输间隙对应的信息包进行编码，得校验包；

3)在当前传输间隙T_s内基站端向所有多播组用户广播步骤2)得到的校验包；

4)当第i个用户接收到所述校验包时，则对外广播一个ACK信号，告知基站端第i个用户已成功接收所述校验包，基站端将第i个用户成功接收的校验包添加到成功接收校验包集合中，同时对第i个用户成功接收的校验包进行解码，并将解码得到的信息添加到已解码信息包序号集合D_i中，其中，i∈[1,M]，M为能够成功接收到校验包的用户数；

5)重复步骤2)、3)及4)，直至k个信息包传输完为止；

6)基站端判断各已解码信息包序号集合中的元素个数是否为k，当各已解码信息包序号集合中的元素个数均不为k时，则重复步骤2)、3)、4)及5)；当已解码信息包序号集合中的元素个数均为k时，则完成多媒体业务流的传输。

步骤3)中在当前传输间隙T_s内基站端以固定功率向所有多播组用户广播步骤2)得到的校验包。

基站端以固定功率通过数据链路层的CRC编码以及物理层的信道编码后经信道将校验包发送给所有多播组用户。

步骤2)中的喷泉编码方法的具体操作为：

a)基站端根据前一时隙内更新的M个已成功解码信息包序号集合D₁,D₂,...D_M分别确定各用户未成功解码信息包序号集合，得所有用户的信息包编码信息；

b)基站端根据步骤1)得到的所有用户的信息包编码信息设置编码结构矩阵P，其中，P为k×M阵，k为合法用户数目，编码结构矩阵P中第j个用户第i个信息p_ij∈{0,1}，p_ij＝0表示第j个用户在第i个信息包时解码成功，p_ij＝1表示第j个用户在第i个信息包时解码失败；

c)基站端记录编码结构矩阵P中的全0行和全1行的行标，并分别存储于矩阵ln_0和ln_1中；

d)当ln_1非空时，则将ln_0中的全部元素与ln_1中的随机一个元素所对应编号的信息包进行异或操作，并将异或操作的结果作为下一时隙的校验包符号输出；

当ln_1为空时，则判断ln_0中元素个数是否小于等于k/8，当ln_0中元素个数小于等于k/8时，则查找编码结构矩阵P中行和最大对应的行标，并将该行标对应编号的信息包与ln_0的全部元素对应编号的信息包进行异或操作，并异或操作的结果作为下一时隙的校验包符号输出；

当ln_1为空时，且当ln_0中元素个数大于k/8时，则将编码结构矩阵P去掉全0行后得到的矩阵中行和最小对应的行标组成的矩阵记作min_line，并将矩阵min_line的元素个数记为Num_min_line，从矩阵min_line中选出行数最多的若干行，其中，选择出来的所有行所组成的矩阵中各列和均小于2，然后将选择出来的行的行标对应编号的信息包与ln_0中的全部元素对应编号的信息包进行异或操作，并将异或操作的结果作为下一时隙的校验包符号输出。

步骤4)中对第i个用户成功接收的校验包进行解码，并将解码得到的信息添加到已解码信息包序列号集合D_i中的具体操作为：

在第i个用户的所有校验包中找到度为1的校验包，若第i个用户的所有校验包中没有度为1的校验包时，则基站端在第p个时隙对第i个用户的模拟解码操作终止；若第i个用户的所有校验包中存在度为1的校验包s_n时，令其中，将校验包s_n与所有和校验包s_n有联系的校验包进行异或操作，再删除所有与校验包s_n有联系的校验包，然后将异或操作的结果作为新的校验包s_n加入已解码信息包序号集合D_i中。

步骤a)中确定各用户未成功解码信息包序号集合的具体操作为：

设k个信息包组成的序列集合为I＝{s₁,s₂,...,s_k}，前一时隙基站端的得到的已成功解码信息包序号集合为D_i，则未成功解码信息序号包集合为：

U_i＝C_ID_i。

仿真实验

考虑蜂窝网络中的多媒体多播场景，整个蜂窝网络中有一个基站和M个(M最大取100)多播用户均匀随机分布在一个半径为1的圆内，且我们假设在半径为0.01的圆内无多播用户的分布，基站、用户均使用单天线，链路间存在路径损耗和瑞利衰落CN(0,1)，路径损耗系数η＝2.6，瑞利衰落为均值为0、方差为1的复高斯分布。假设整个多播过程的系统SNR为20dB，P_s/N₀＝20dB，P_s为基站的发射功率，N₀为高斯白噪声的方差。

图3及图4分别为当窃听者处于不同位置时，窃听者截获概率、基站端传输效率两个指标下的对比曲线图。在图3及图4的仿真中，基站端待传输的多媒体业务流所划分的合法用户数目为k＝128，多播用户个数为M＝100，仿真中统计10³次实现，对比方案是传统LT喷泉编码方法。

参考图3，当Eve处于不同位置时，从窃听者截获概率的对比曲线图中可以看出：随着Eve与Alice之间距离的增加，本发明的Eve端截获概率性能远低于传统LT喷泉编码方法，因而实现较高的安全无线数据传输。

参考图4，,当Eve处于不同位置时，本发明在基站端传输效率性能方面明显优于传统的LT喷泉编码方法；此外，本发明的基站端传输效率不随Eve与Alice距离的增加而变化，基本维持在35％左右。

参考图5及图6，Eve所处位置为(1,0)，即Bob、Eve与Alice之间的距离相等，且仿真中统计10⁴次实现，图5及图6分别讨论了窃听者截获概率和基站端传输效率随合法用户个数变化的对比曲线图。

参考图5，,随着合法用户数目的增加，本发明在窃听者截获概率方面远优于传统LT喷泉编码方法；且截获概率随合法用户数目的增加而增加。

参考图6，随着合法用户数目的增加，本发明在基站端传输效率指标上远高于传统LT喷泉编码方法，且基站端传输效率随合法用户数目的增加而降低。

综上所述，本发明方法在窃听者截获概率和基站端传输效率两个指标上均优于传统LT喷泉编码方法。

Claims (6)

1.一种基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)将待传输的多媒体业务流划分为k个信息包s₁,s₂,...,s_k，其中，一个信息包在一个传输间隙进行编码及传输；

2)在当前传输间隙T_s内基站端采用喷泉编码方法对该传输间隙对应的信息包进行编码，得校验包；

3)在当前传输间隙T_s内基站端向所有多播组用户广播步骤2)得到的校验包；

4)当第i个用户接收到所述校验包时，则对外广播一个ACK信号，告知基站端第i个用户已成功接收所述校验包，基站端将第i个用户成功接收的校验包添加到成功接收校验包集合中，同时对第i个用户成功接收的校验包进行解码，并将解码得到的信息添加到已解码信息包序号集合D_i中，其中，i∈[1,M]，M为能够成功接收到校验包的用户数；

5)重复步骤2)、3)、4)及5)，直至k个信息包传输完为止；

6)基站端判断各已解码信息包序号集合中的元素个数是否为k，当各已解码信息包序号集合中的元素个数均不为k时，则重复步骤2)、3)、4)、5)及6)；当已解码信息包序号集合中的元素个数均为k时，则完成多媒体业务流的传输。

2.根据权利要求1所述的基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法，其特征在于，步骤3)中在当前传输间隙T_s内基站端以固定功率向所有多播组用户广播步骤2)得到的校验包。

3.根据权利要求2所述的基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法，其特征在于，基站端以固定功率通过数据链路层的CRC编码以及物理层的信道编码后经信道将校验包发送给所有多播组用户。

4.根据权利要求1所述的基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法，其特征在于，步骤2)中的喷泉编码方法的具体操作为：

a)基站端根据前一时隙内更新的M个已成功解码信息包序号集合D₁,D₂,...D_M分别确定各用户未成功解码信息包序号集合，得所有用户的信息包编码信息；

b)基站端根据步骤1)得到的所有用户的信息包编码信息设置编码结构矩阵P，其中，P为k×M阵，k为合法用户数目，编码结构矩阵P中第j个用户第i个信息p_ij∈{0,1}，p_ij＝0表示第j个用户在第i个信息包时解码成功，p_ij＝1表示第j个用户在第i个信息包时解码失败；

c)基站端记录编码结构矩阵P中的全0行和全1行的行标，并分别存储于矩阵ln_0和ln_1中；

d)当ln_1非空时，则将ln_0中的全部元素与ln_1中的随机一个元素所对应编号的信息包进行异或操作，并将异或操作的结果作为下一时隙的校验包符号输出；

当ln_1为空时，则判断ln_0中元素个数是否小于等于k/8，当ln_0中元素个数小于等于k/8时，则查找编码结构矩阵P中行和最大对应的行标，并将该行标对应编号的信息包与ln_0的全部元素对应编号的信息包进行异或操作，并异或操作的结果作为下一时隙的校验包符号输出；

当ln_1为空时，且当ln_0中元素个数大于k/8时，则将编码结构矩阵P去掉全0行后得到的矩阵中行和最小对应的行标组成的矩阵记作min_line，并将矩阵min_line的元素个数记为Num_min_line，从矩阵min_line中选出行数最多的若干行，其中，选择出来的所有行所组成的矩阵中各列和均小于2，然后将选择出来的行的行标对应编号的信息包与ln_0中的全部元素对应编号的信息包进行异或操作，并将异或操作的结果作为下一时隙的校验包符号输出。

5.根据权利要求1所述的基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法，其特征在于，步骤4)中对第i个用户成功接收的校验包进行解码，并将解码得到的信息添加到已解码信息包序列号集合D_i中的具体操作为：

在第i个用户的所有校验包中找到度为1的校验包，若第i个用户的所有校验包中没有度为1的校验包时，则基站端在第p个时隙对第i个用户的模拟解码操作终止；若第i个用户的所有校验包中存在度为1的校验包s_n时，令其中，将校验包s_n与所有和校验包s_n有联系的校验包进行异或操作，再删除所有与校验包s_n有联系的校验包，然后将异或操作的结果作为新的校验包s_n加入已解码信息包序号集合D_i中。

6.根据权利要求1所述的基于喷泉编码的保障多媒体多播安全传输方法，其特征在于，步骤a)中确定各用户未成功解码信息包序号集合的具体操作为：

设k个信息包组成的序列集合为I＝{s₁,s₂,...,s_k}，前一时隙基站端的得到的已成功解码信息包序号集合为D_i，则未成功解码信息序号包集合为：

U_i＝C_ID_i。