CN107222284B - 一种物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法，包括以下步骤：在第k个时隙，当合法接收端Bob成功接收该当前时隙发送的编码包时，则选择一个合法接收端Bob未解码的原始数据包，然后进行编码，再将编码的结果作为下一时隙发送的编码包；否则，则将当前时隙发送的编码包作为下一时隙的编码包；3)判断合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U是否为空集，当合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U不为空集时，则转至步骤2)，当合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U为空集时，则合法接收端Bob已经接收到所有的原始数据包，合法接收端Bob根据接收到所有原始数据包恢复出源文件，该传输方法抗窃听性能较好，安全性较高。

Description

一种物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法。

背景技术

过去几年，随着无线通信技术的飞速发展及其广泛应用，无线网络安全问题也受到了越来越多的关注。

目前，传统的保障安全传输的主流方法是通过加密实现的，但是，未来众多的无线业务对安全等级的需求千变万化，加密方法也难以满足其需求。与传统加密技术相比，物理层安全技术的基本思想是利用无线通信技术将无线信道中的各种衰落、噪声以及干扰因素转变为对抗窃听的工具，从而实现物理层的安全传输。并且从应用的角度来看，还具有易实现、易维护等优点。

喷泉编码凭借其特有优势在数据广播以及存储等方面应用较多，但却很少将它运用到网络安全问题上。根据喷泉码的基本特性将其应用到网络安全上是可行的，只要合法接收用户能够先于窃听者累积到所需的喷泉码数据包就可以保障传输的安全性。因此，针对传统保障安全方法的缺点以及喷泉编码在物理层编码保障安全传输的可行信，研究一种具体的喷泉编码抗窃听安全传输方法具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法，该传输方法抗窃听性能较好，安全性较高。

为达到上述目的，本发明所述的物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法包括以下步骤：

1)设通信系统包含一个发送端Alice及一个合法接收端Bob，且通信系统的无线信道采用瑞利衰落信道模型，发送端Alice将源文件分为K个原始数据包，再选择其中任意一个原始数据包作为第一个编码包，然后再发送选择出来的第一个编码包；

2)在第k个时隙，发送端Alice通过合法接收端Bob反馈回的1bit信息确定合法接收端Bob是否成功接收该时隙发送的编码包，当合法接收端Bob成功接收该当前时隙发送的编码包时，则依据重要性及信道质量选择一个合法接收端Bob未解码的原始数据包，然后对选择出来的未解码的原始数据包进行编码，再将编码的结果作为下一时隙发送的编码包；当合法接收端Bob没有成功接收当前时隙发送的编码包时，则发送端Alice在下一时隙发送的编码包与当前时隙没有成功接收的编码包相同，同时，发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的1bit信息构建合法接收端Bob已解码的原始数据包集合D及合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U；

3)判断合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U是否为空集，当合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U不为空集时，则转至步骤2)，当合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U为空集时，则合法接收端Bob已经接收到所有的原始数据包，合法接收端Bob根据接收到所有原始数据包恢复出源文件，完成基于信道反馈的抗窃听喷泉码构造。

步骤2)中对选择出来的未解码的原始数据包进行编码，再将编码的结果作为下一时隙发送的编码包的具体操作为：

当合法接收端Bob收到发送端Alice在第时隙发送的编码包t_i时，则发送端Alice在i+1时隙发送的编码包t_i+1为：

其中，B为合法接收端Bob解码出的所有原始数据包的异或运算结果，s_x+1∈U，s_x+1为发送端Alice依据重要性及信道质量选择出来的一个合法接收端Bob未解码的原始数据包。

在每个时隙，发送端Alice对合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U内所有未解码的原始数据包按照重要因子im_x从大到小进行排序，其中，U＝{u₁，u₂，u_c…，u_L}，u_c为第c个合法接收端Bob未解码的原始数据包，当c越小，则u_c越重要。

在已经解码出的原始数据包集合D之后，将合法接收端Bob收到原始数据包t_x与未收到原始数据包t_x分别恢复出的图像对应点像素值差值的绝对值之和作为该原始数据包t_x的重要因子im_x。

依据重要性及信道质量选择一个合法接收端Bob未解码的原始数据包，其中，信道质量越好，则所对应的原始数据包越重要，即该原始数据包被选择出来的概率越大。

当指标c越大，则原始数据包u_c被选择出来的概率越大，其中，

其中，L为合法接收端Bob未解码的原始数据包数目，z₀为预设的信道质量好坏的分界点，z为发送端Alice与合法接收端Bob之间的实时信道增益，z＝|h_AB|²且d为发送端Alice与合法接收端Bob之间的距离，α为发送端Alice与合法接收端Bob之间的路径损耗，α为大于1的常数。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法在具体操作时，在第k个时隙，发送端Alice通过合法接收端Bob反馈回的1bit信息确定合法接收端Bob是否成功接收该时隙发送的编码包，当合法接收端Bob成功接收该当前时隙发送的编码包时，则选择一个合法接收端Bob未解码的原始数据包，然后对选择出来的未解码的原始数据包进行编码，再将编码的结果作为下一时隙发送的编码包，从而有效的提高窃听者Eve的误码率，抗窃听性能优良，信息传输的安全性较高，同时，当合法接收端Bob没有成功接收当前时隙发送的编码包时，则发送端Alice在下一时隙发送的编码包与当前时隙没有成功接收的编码包相同，从而使合法接收端Bob能够恢复出完整的源文件。

进一步，当合法接收端Bob接收到上一个时隙的编码包后，在该时隙发送端Alice将要发送的编码包由一个合法接收端Bob未解码的原始数据包异或前一时隙合法接收端Bob解码处的所有原始数据包得到，因此窃听者Eve在窃听过程中只要有一个编码包没有接收成功，那么它将无法解码出剩余的未解码的原始数据包，从而导致其窃听失败。

附图说明

图1为本发明所采用的系统模型图；

图2为已有方法与本发明所提码字构造方法的复杂度对比图；

图3为已有方法与本发明的窃听者Eve截获概率随原始数据包数目K的变化曲线图；

图4a为原图；

图4b为合法接收端Bob恢复出的图像；

图4c为窃听者Eve窃取的图像。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参考图1，本发明所述的物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法包括以下步骤：

1)设通信系统包含一个发送端Alice及一个合法接收端Bob，且通信系统的无线信道采用瑞利衰落信道模型，发送端Alice将源文件分为K个原始数据包，再选择其中任意一个原始数据包作为第一个编码包，然后再发送选择出来的第一个编码包；

2)在第k个时隙，发送端Alice通过合法接收端Bob反馈回的1bit信息确定合法接收端Bob是否成功接收该时隙发送的编码包，当合法接收端Bob成功接收该当前时隙发送的编码包时，则依据重要性及信道质量选择一个合法接收端Bob未解码的原始数据包，然后对选择出来的未解码的原始数据包进行编码，再将编码的结果作为下一时隙发送的编码包；当合法接收端Bob没有成功接收当前时隙发送的编码包时，则发送端Alice在下一时隙发送的编码包与当前时隙没有成功接收的编码包相同，同时，发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的1bit信息构建合法接收端Bob已解码的原始数据包集合D及合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U；

3)判断合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U是否为空集，当合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U不为空集时，则转至步骤2)，当合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U为空集时，则合法接收端Bob已经接收到所有的原始数据包，合法接收端Bob根据接收到所有原始数据包恢复出源文件，完成基于信道反馈的抗窃听喷泉码构造。

步骤2)中对选择出来的未解码的原始数据包进行编码，再将编码的结果作为下一时隙发送的编码包的具体操作为：

当合法接收端Bob收到发送端Alice在第时隙发送的编码包t_i时，则发送端Alice在i+1时隙发送的编码包t_i+1为：

其中，B为合法接收端Bob解码出的所有原始数据包的异或运算结果，s_x+1∈U，s_x+1为发送端Alice依据重要性及信道质量选择出来的一个合法接收端Bob未解码的原始数据包。

在每个时隙，发送端Alice对合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U内所有未解码的原始数据包按照重要因子im_x从大到小进行排序，其中，U＝{u₁，u₂，u_c…，u_L}，u_c为第c个合法接收端Bob未解码的原始数据包，当c越小，则u_c越重要。

在已经解码出的原始数据包集合D之后，将合法接收端Bob收到原始数据包t_x与未收到原始数据包t_x分别恢复出的图像对应点像素值差值的绝对值之和作为该原始数据包t_x的重要因子im_x。

依据重要性及信道质量选择一个合法接收端Bob未解码的原始数据包，其中，信道质量越好，则所对应的原始数据包越重要，即该原始数据包被选择出来的概率越大。

当指标c越大，则原始数据包u_c被选择出来的概率越大，其中，

其中，L为合法接收端Bob未解码的原始数据包数目，z₀为预设的信道质量好坏的分界点，z为发送端Alice与合法接收端Bob之间的实时信道增益，z＝|h_AB|²且d为发送端Alice与合法接收端Bob之间的距离，α为发送端Alice与合法接收端Bob之间的路径损耗，α为大于1的常数。

参考图2，图2的横坐标表示仿真次数，纵坐标表示仿真相应次数所运行的时间，由图2可知，在仿真条件相同的情况下，本发明具有更低的运行复杂度，并且比已有方法的复杂度提升约19％左右(n＝100次时，t1＝100.384s,t2＝81.253s)，其原因在于本发明在编码构造时对编码包的优化。

参考图3，从仿真结果可以发现，本发明和现有的方案能够达到的截获率相同，都是随着K的增大，窃听者Eve的截获概率呈现近指数衰减规律。当K较大时，窃听者Eve能够达到一个非常低的截获概率。例如，图4a、图4b及图4c在做实际图像(220x220的灰度图)传输仿真时K＝(220x220)/10＝4840，此时窃听者Eve能从截获的编码包中恢复出极少的原始数据包。

从图4a、图4b及图4c可以看出,采用本发明能够实现在合法用户处无失真地恢复出原始图像的同时，窃听者Eve从窃听到的数据包恢复出的图像失真巨大，从而达到安全传输的目的。

Claims (3)

1.一种物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)设通信系统包含一个发送端Alice及一个合法接收端Bob，且通信系统的无线信道采用瑞利衰落信道模型，发送端Alice将源文件分为K个原始数据包，再选择其中任意一个原始数据包作为第一个编码包，然后再发送选择出来的第一个编码包；

2)在第k个时隙，发送端Alice通过合法接收端Bob反馈回的1bit信息确定合法接收端Bob是否成功接收该时隙发送的编码包，当合法接收端Bob成功接收当前时隙发送的编码包时，则发送端Alice依据重要性及信道质量选择一个合法接收端Bob未解码的原始数据包，然后对选择出来的未解码的原始数据包进行编码，再将编码的结果作为下一时隙发送的编码包；当合法接收端Bob没有成功接收当前时隙发送的编码包时，则发送端Alice在下一时隙发送的编码包与当前时隙没有成功接收的编码包相同，同时，发送端Alice根据合法接收端Bob反馈的1bit信息构建合法接收端Bob已解码的原始数据包集合D及合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U；

3)判断合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U是否为空集，当合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U不为空集时，则转至步骤2)，当合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U为空集时，则合法接收端Bob已经接收到所有的原始数据包，合法接收端Bob根据接收到所有原始数据包恢复出源文件，完成基于信道反馈的抗窃听喷泉码构造；

在每个时隙，发送端Alice对合法接收端Bob未解码的原始数据包集合U内所有未解码的原始数据包按照重要因子im_x从大到小进行排序，其中，U＝{u₁，u₂，u_c…，u_L}，u_c为第c个合法接收端Bob未解码的原始数据包，当c越小，则u_c越重要；

依据重要性及信道质量选择一个合法接收端Bob未解码的原始数据包，其中，信道质量越好，则所对应的原始数据包越重要，即该原始数据包被选择出来的概率越大；

c与发送端Alice与合法接收端Bob之间的实时信道增益z之间的关系为：

其中，L为合法接收端Bob未解码的原始数据包数目，z₀为预设的信道质量好坏的分界点，z＝|h_AB|²且σ²＝d^-α，d为发送端Alice与合法接收端Bob之间的距离，α为发送端Alice与合法接收端Bob之间的路径损耗，α为大于1的常数。

2.根据权利要求1所述的物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法，其特征在于，步骤2)中对选择出来的未解码的原始数据包进行编码，再将编码的结果作为下一时隙发送的编码包的具体操作为：

当合法接收端Bob收到发送端Alice在第i时隙发送的编码包t_i时，则发送端Alice在i+1时隙发送的编码包t_i+1为：

其中，B为合法接收端Bob解码出的所有原始数据包的异或运算结果，s_x+1∈U，s_x+1为发送端Alice依据重要性及信道质量选择出来的一个合法接收端Bob未解码的原始数据包。

3.根据权利要求1所述的物联网中基于信道反馈的喷泉编码抗窃听传输方法，其特征在于，在构建已经解码出的原始数据包集合D之后，将合法接收端Bob收到原始数据包t_x与未收到原始数据包t_x分别恢复出的图像对应点像素值差值的绝对值之和作为该原始数据包t_x的重要因子im_x。