CN105306168B - 一种基于喷泉编码的保障无线数据安全传输方法 - Google Patents

Abstract

一种基于喷泉编码的保障无线数据安全传输方法，包括步骤：每个时隙发送端采用喷泉编码方法完成校验包编码过程；发送端产生的校验包经过数据链路层CRC编码以及物理层信道编码后经合法信道发送给合法用户，窃听用户窃听当前时隙传输校验包信息；当经信道不丢包，合法接收端完成接收校验包的译码操作，正确译码后更新已解码信息包序号集合并向发送端反馈该集合；反之则不更新已解码信息包序号集合；合法接收端判断已成功解码信息包的个数是否为源信息包个数，并根据该信息决定是否告知发送端停止继续发送校验包。本发明能够根据合法用户的译码速率进行发端编码方案的实时调整，显著降低无线数据传输过程中窃听用户的截获概率且提高发送端的传输效率。

Description

一种基于喷泉编码的保障无线数据安全传输方法

技术领域：

本发明属于无线通信技术领域，具体涉及一种基于喷泉编码的保障无线数据安全传输方法，其利用喷泉码技术降低无线数据传输过程中窃听用户的截获概率并且提高发送端的传输效率。

背景技术：

与电缆通信系统相比，无线通信网络的开放性使得其安全传输问题更加棘手，这是因为窃听者易于窃听到无线设备端的机密数据。针对无线网络中窃听者存在的潜在安全风险性，现有的高层网络协议层采用加密技术确保数据不被窃听，然而加密技术的实现是基于窃听者计算能力受限的假设，而当窃听用户端的计算能力不受限，则安全性无法保障。此外，密钥管理机制对于动态无线网络来说也是难于实现的。

与此同时，喷泉码作为一种备受关注的新兴可靠传输技术，其采用随机编码的方式，源源不断产生新的喷泉码符号，每个新喷泉码符号对接收端而言都携带一定有用信息，用户接收到足够喷泉码符号并正确收译码后，发送端才停止编码，于是相对于编码前就确定码率的前向纠错码来说，喷泉码的码率是不固定的，喷泉码又称无速率码。因此在无线传输的发送端引入喷泉码后，通过利用喷泉码编码过程中的两个可控参数(度及所选信息包的序号)，设计有利于提升合法用户译码速率的校验包编码方案，从而保证合法用户端先于窃听端解码成功。

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无线数据安全传输方法，该传输方法可以有效地降低窃听用户的截获概率并且提高发送端的传输效率。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现的：

一种基于喷泉编码的保障无线数据安全传输方法，在无线数据传输之前，发送端首先将待传输数据流划分为彼此相关联的k个信息包，该方法包括以下步骤：

1)每个时隙发送端采用喷泉码编码方法完成一个校验包的编码过程；

2)发送端产生的校验包经过数据链路层的CRC编码以及物理层的信道编码后经合法信道发送给合法用户，此时位于无线环境下的窃听用户能够窃听到当前时隙传输的校验包信息；

3)当经合法信道丢包时，已解码信息包序号集合D不更新；而当不丢包时，合法接收端完成接收校验包的置信传播迭代译码操作，当正确译码后更新已解码信息包序号集合D并向发送端反馈更新后的已解码信息包序号集合D；合法接收端判断已成功解码信息包的个数是否为k，并根据该信息决定是否告知发送端停止继续发送校验包。

本发明进一步的改进在于，步骤1)中的喷泉码编码方法的具体步骤如下：

1-1)发送端首先根据前一时隙合法接收端反馈回的已成功解码信息包序号集合确定未成功解码信息包序号集合，如下所述：

设k个信息包组成的序列集合为I＝{s₁,s₂,...,s_k}，前一时隙合法接收端反馈回的已解码信息包序号集合为D，则有未解码信息包序号集合U为：

U＝C_ID

即U表示I中D的补集；

1-2)从未解码信息包序号集合U中随机选取一个信息包，假设记为s_c；将已解码信息包序号集合D中信息包全部取出，记为s_i,...,s_j，则第p个时隙输出校验包为：

即将s_i,...,s_j与信息包s_c进行异或操作。

本发明进一步的改进在于，步骤3)中接收校验包的置信传播迭代译码操作具体步骤如下：

3-1)截止到当前时隙，在合法接收端的所有校验包中，找到度为1的校验包易知即该校验包只与一个信息包s_n相连；若无度为1的校验包，则该时隙解码过程终止，即已解码信息包序号集合未发生改变；若存在度为1的校验包，则进入步骤3-2)和3-3)；

3-2)令将信息包s_n与所有和信息包s_n有联系的其他校验包进行异或，然后删除所有校验包与信息包s_n的联系；

3-3)更新已解码信息包序号集合D，即将信息包s_n加入更新后的已解码信息包序号集合D中。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明一种基于喷泉编码的保障无线数据安全传输方法，首先在发送端引入喷泉码，其次通过在无线数据传输的发送端对喷泉码编码过程中的两个可控参数(度及所选信息包的序号)的进行控制，设计有利于提升合法用户译码速率的校验包编码方案，从而保证合法用户端先于窃听端解码成功。与传统喷泉码的编码方式相比，本发明能够根据合法用户的译码速率进行发端编码方案的实时调整，且设计合理，操作简单，可以显著降低无线数据传输过程中窃听用户的截获概率且提高发送端的传输效率。

附图说明：

图1为本发明的系统模型图；

图2为本发明的操作流程图；

图3为本发明方法在Eve处于不同位置时窃听者截获概率对比图；

图4为本发明方法在Eve处于不同位置时Eve端解码成功率对比图；

图5为本发明方法在Eve处于不同位置时Alice端传输效率对比图；

图6为本发明方法在源信息包个数变化时窃听者截获概率对比图；

图7为本发明在源信息包个数变化时Eve端解码成功率对比图；

图8为本发明方法在源信息包个数变化时Alice端传输效率对比图。

具体实施方式：

下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的详细说明。

喷泉码使用的是一种线性编译码方式，可以让发送端源源不断产生编码符号，直到收到用户正确接收的反馈才停止编码发送，是一种增加传输可靠性的信道编码。发送端无需知道合法接收端的信道状态信息，却依然能保证数据的可靠传输。当无线传输的发送端使用喷泉码编码后，知道收到合法接收端正确接收的反馈才停止编码发送。

本发明的核心思想是在无线数据传输过程中发送端使用喷泉码编码方法对k个信息包进行编码，并以合法接收端的反馈作为编码的动力设计有利于提升合法用户端译码速率的校验包编码方案，从而保证合法用户端先于窃听端解码成功。与传统喷泉码的编码方式相比，本发明方案能够根据合法用户的译码速率进行发端编码方案的实时调整，并且可以显著降低无线数据传输过程中窃听用户的截获概率，与此同时提高发送端的传输效率。

参考图1，本发明的系统模型图具体描述如下：

考虑一个包含三个节点的无线传输系统，其中一个源节点Alice、一个目的节点Bob以及窃听者Eve。Alice企图将私密数据文件发给Bob，与此同时Eve可以窃听所发送的文件信息。在无线数据传输之前，Alice首先将待发送私密文件划分为彼此相关联的k个信息包，然后Alice使用喷泉码编码方法对k个信息包进行编码。Bob和Eve都企图得到足够的校验包以恢复原始文件信息。当Bob端收到足够的校验包完成k个信息包的解码，则需向Alice端发送反馈信息告知其终止编码发送。这样的话，当Alice端停止发送校验包时，如果Eve端未完成k个信息包的解码，则该私密数据文件的安全传输得以保障。

图1中Alice→Bob链路为合法信道和Alice→Eve链路为窃听信道，这两条无线信道均被建模为块平坦瑞利衰落信道，即每个包的发送时隙内信道系数保持恒定，不同时隙之间独立变化。节点i和节点j之间的信道系数h_ij是一个零均值、方差为的循环对称复高斯随机变量，其中d_ij表示节点i和节点j之间的距离，α为路损系数。接收端的加性高斯白噪声ω的方差为N₀。若Alice端发送校验包的功率为则接收端j的接收SNR可以表示为γ_Aj＝ρ|h_Aj|²，而表示系统SNR。

参考图2，本发明一种基于喷泉编码的保障无线数据安全传输方法，具体步骤如下：

1)每个时隙发送端采用喷泉码编码方法完成一个校验包的编码过程；

1-1)发送端首先根据前一时隙合法接收端反馈回的已成功解码信息包序号集合确定未成功解码信息包序号集合，如下所述：

设k个信息包组成的序列集合为I＝{s₁,s₂,...,s_k}，前一时隙合法接收端反馈回的已成功解码信息包序号集合为D，则有未解码信息包序号集合U为：

U＝C_ID

即U表示I中D的补集。

1-2)从未解码信息包序号集合U中随机选取一个信息包，假设记为s_c；将已解码信息包序号集合D中信息包全部取出，记为s_i,...,s_j，则第p个时隙输出校验包为：

即将s_i,...,s_j与信息包s_c进行异或操作。

步骤1)中的喷泉码编码方法的核心在于：将已解码信息包序号集合D中所有元素与未解码集合中某一个元素进行异或，根据窃听信道的衰落特性窃听端只要有已解码信息包序号集合D中的一个元素未成功解码，则窃听端必无法解出余下信息包，即此时窃听端窃听失败，从而有效降低Eve的截获率。

2)发送端产生的校验包经过数据链路层的CRC编码以及物理层的信道编码后经合法信道发送给合法用户，此时位于无线环境下的窃听用户能够窃听到当前时隙传输的校验包信息；

3)当经合法信道丢包时，已解码信息包序号集合D不更新；而当不丢包时，合法接收端完成接收校验包的译码操作，当正确译码后更新已解码信息包序号集合D并向发送端反馈更新后的已解码信息包序号集合D；合法接收端判断已成功解码信息包的个数是否为k，并根据该信息决定是否告知发送端停止继续发送校验包；

3-1)截止到当前时隙，在合法接收端的所有校验包中，找到度为1的校验包(易知)，即该校验包只与一个信息包s_n相连。若无度为1的校验包，则该时隙解码过程终止，即已解码信息包序号集合未发生改变；若存在度为1的校验包，则进入步骤3-2)和3-3)；

3-2)令将信息包s_n与所有和信息包s_n有联系的其他校验包进行异或，然后删除所有校验包与信息包s_n的联系；

3-3)更新已解码信息包序号集合D，即将信息包s_n加入更新后的已解码信息包序号集合D中。

综上所述，本发明的主要实现机理是在无线数据传输过程中Alice使用喷泉码编码方法对k个信息包进行编码，并以Bob反馈的已解码信息包序号集合作为编码的动力，设计有利于提升Bob端译码速率的校验包编码方案，从而保证Bob端先于Eve端解码成功。该编码方案的核心是将已解码集合D中所有元素与未解码集合中某一个元素进行异或，根据窃听信道的衰落特性Eve端只要有D中的一个元素未成功解码，则Eve必无法解出余下信息包，即此时Eve端窃听失败。

图3-5分别是Eve处于不同位置时窃听者截获概率、Eve端解码成功率以及Alice端传输效率的对比曲线图。仿真环境是二维直角坐标系，其中Alice和Bob分别位于(0,0)和(1,0)，这里由于Eve的位置不固定，不失一般性我们假设Eve位于x轴上，即坐标为(x,0)。仿真中路损系数为3，系统SNR为ρ＝10dB。Alice端产生的校验包在经过衰落信道之前需先经过16-QAM调制，且码率为9/16，这样可以根据文献中给出的相关参数完成从Bob端的接收SNR到丢包率的映射，以此完成衰落信道下精确丢包率的估计。假设PER_n(γ)表示第n个时隙当接收端信噪比为γ时根据文献的推导映射的丢包率，具体映射关系及参数如下：

其中a_n＝67.6181,g_n＝1.6883,γ_pn＝3.9722.

图3-5的仿真中，Alice端源信息包个数为128，且仿真中统计10⁵次实现。图3中在Eve处于不同位置下，从窃听者截获概率对比曲线图可以看出：随着Eve与发送端Alice距离的增加，本发明方案中Eve端截获概率以近似负指数式分布降低；当Eve与Alice之间距离大于0.8时，截获降为0。与此同时，本发明方案在截获概率性能方面远低于其他两种基准方案，因而可以实现较高的安全无线数据传输。

图4中在Eve处于不同位置时，本发明方案在Eve端解码成功率性能方面优于两种基准方案；本发明方案的Eve端解码成功率性能随着Eve与Alice距离的增加而降低。

图5中在Eve处于不同位置时，本发明方案在Alice端传输效率性能方面明显优于两种基准方案；此外，Alice端传输效率不随Eve与Alice距离的增加而变化，均维持在67％左右，该指标的提高也说明本发明的又一优越性。

图6-8的仿真中，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10⁵次实现。图6-8分别讨论了在源信息包个数变化时窃听者截获概率、Eve端解码成功率、Alice端传输效率的对比曲线图。

图6中随着信息包个数的增加，本发明所提出的方案在窃听者截获概率方面远优于传统的两种基准方案；截获概率随信息包个数的增加而降低，且当信息包个数为128时，所提出方案的截获概率已降为0。

图7中随着信息包个数的增加，本发明所提出的方案在Eve端解码成功率方面远低于传统的两种基准方案；Eve端解码成功率随信息包个数的增加而降低。

由图8可知，随着信息包个数的增加，本发明所提出的方案在Alice端传输效率指标上远高于两种已有基准方案，且Alice端传输效率不随信息包个数的增加而变化，均维持在65％左右，该指标的提高也说明本发明的又一优越性。

综上所述，本发明方法在窃听者截获概率、Eve端解码成功率、Alice端传输效率三个方面均优于传统基准方案。

Claims (2)

1.一种基于喷泉编码的保障无线数据安全传输方法，在无线数据传输之前，发送端首先将待传输数据流划分为彼此相关联的k个信息包，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)每个时隙发送端采用喷泉码编码方法完成一个校验包的编码过程；其中，步骤1)中的喷泉码编码方法的具体步骤如下：

1-1)发送端首先根据前一时隙合法接收端反馈回的已成功解码信息包序号集合确定未成功解码信息包序号集合，如下所述：

设k个信息包组成的序列集合为I＝{s₁,s₂,...,s_k}，前一时隙合法接收端反馈回的已解码信息包序号集合为D，则有未解码信息包序号集合U为：

U＝C_ID

即U表示I中D的补集；

1-2)从未解码信息包序号集合U中随机选取一个信息包，假设记为s_c；将已解码信息包序号集合D中信息包全部取出，记为s_i,...,s_j，则第p个时隙输出校验包为：

$x_{f_p}=s_i\⊕\mathrm{...}\⊕s_j\⊕s_c$

即将s_i,...,s_j与信息包s_c进行异或操作；

2)发送端产生的校验包经过数据链路层的CRC编码以及物理层的信道编码后经合法信道发送给合法用户，此时位于无线环境下的窃听用户能够窃听到当前时隙传输的校验包信息；

3)当经合法信道丢包时，已解码信息包序号集合D不更新；而当不丢包时，合法接收端完成接收校验包的置信传播迭代译码操作，当正确译码后更新已解码信息包序号集合D并向发送端反馈更新后的已解码信息包序号集合D；合法接收端判断已成功解码信息包的个数是否为k，并根据该信息决定是否告知发送端停止继续发送校验包。

2.根据权利要求1所述的基于喷泉编码的保障无线数据安全传输方法，其特征在于，步骤3)中接收校验包的置信传播迭代译码操作具体步骤如下：

3-1)截止到当前时隙，在合法接收端的所有校验包中，找到度为1的校验包易知即该校验包只与一个信息包s_n相连；若无度为1的校验包，则该时隙解码过程终止，即已解码信息包序号集合未发生改变；若存在度为1的校验包，则进入步骤3-2)和3-3)；

3-2)令将信息包s_n与所有和信息包s_n有联系的其他校验包进行异或，然后删除所有校验包与信息包s_n的联系；

3-3)更新已解码信息包序号集合D，即将信息包s_n加入更新后的已解码信息包序号集合D中。