CN109495216B - 蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法，包括以下步骤：源节点Alice将原始文件等分为K个源数据包，记作(u₁，u₂，...，u_K)；源节点Alice根据K个源数据包产生一系列喷泉编码数据包(v₁，v₂，...)；然后将每个喷泉编码数据包v_k通过信道编码产生待发送数据包p_k，然后将待发送数据包p_k发送给目的节点Bob，该方法能够实现信息的安全传输，同时设备的复杂度较低。

Description

蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输 方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法。

背景技术

近年来，随着智能移动终端设备的广泛应用和无线业务需求的爆炸式增长，无线网络安全也面临着前所未有的挑战。首先，无线网络先天的开放特性使得发送给目的接收端的信号同样可以被不法窃听者接收到，由此造成安全隐患；其次，超级计算机的发展使得通过穷举法暴力破解秘钥成为可能，因此，以往基于上层协议栈的加密技术已经难以确保信息安全；最后，以物联网为重要特征的下一代无线通信网络的高度异构特性使得秘钥的分发和管理异常困难。在这样的背景下，物理层安全技术应运而生。物理层安全技术可以通过简单的信号设计和信号处理恶化窃听者的接收信号质量，实现不依赖于密码的安全传输；同时它能够结合无线信道特性实现灵活、精细及多样化的安全配置，满足用户的差异化安全需求。到目前为止，针对物理层安全技术的研究已经取得了很多创新性研究成果，主要包括：协同干扰技术、协作通信技术、人工噪声注入技术、中继选择技术和安全波束成型等。然而，这些技术大多依赖于收发机的多天线结构或节点间的密切协作，且严重依赖于信道信息的准确性。因此，设计一种协议简单、设备复杂度低，且仅利用部分信道信息即可可靠工作的物理层安全传输机制具有重要的理论和工程应用价值。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法，该方法能够实现信息的安全传输，同时设备的复杂度较低。

为达到上述目的，本发明所述的蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法包括以下步骤：

将蜂窝网络中的基站和用户分别作为源节点Alice及目的节点Bob，源节点Alice及目的节点Bob均配置单根天线，源节点Alice的发射功率为P，源节点Alice及目的节点Bob的接收机加性噪声功率均为N₀，在第t时隙内，节点i和节点j之间的信道系数

服从循环对称复高斯分布，设

则

服从参数为

的指数分布；信道系数

满足一阶马尔科夫模型，为实现源节点Alice与目的节点Bob之间的可靠及安全通信，源节点Alice采用喷泉编码机制发送数据包，具体的，源节点Alice将原始文件等分为K个源数据包，记作(u₁，u₂，...，u_K)；源节点Alice再根据K个源数据包产生一系列喷泉编码数据包(v₁，v₂，...)；然后将每个喷泉编码数据包v_k通过信道编码产生待发送数据包p_k，然后将待发送数据包p_k发送给目的节点Bob；

具体操作过程为：

1)在第t-1时隙，目的节点Bob根据收到的待发送数据包P_t-1尝试解码出喷泉编码数据包v_t-1，当目的节点Bob物理层解码成功时，则保存喷泉编码数据包v_t-1并将其用于后续喷泉码的解码，同时将反馈参数FB_deco赋值为1；当目的节点Bob物理层解码未成功解码时，则将v_t-1丢弃，同时将反馈参数FB_deco赋值为0，然后目的节点Bob基于t-1时隙的信道系数

对t时隙信道发生中断的概率P_out进行预测；

设τ₀为最大中断概率阈值，当P_out≥τ₀，则令反馈参数FB_out＝1，否则，则令反馈参数FB_out＝0，然后目的节点Bob通过反馈信道将包含FB_deco及FB_out的2比特信息反馈给源节点Alice；

2)源节点Alice根据目的节点Bob的反馈信息FB_deco更新当前已经被目的节点Bob成功接收的喷泉编码数据包集合

以及未成功接收的喷泉编码数据包集合

3)源节点Alice根据目的节点Bob的反馈信息FB_out确定当前时隙的喷泉编码策略，当FB_out为0时，源节点Alice从未成功接收的喷泉编码数据包集合

中随机选出一个数据包u_n，p，然后利用成功接收的喷泉编码数据包集合

中所有已解码的数据包{u_d，1，u_d，2，…，u_d，k}构造编码数据包v_t；当FB_out为1时，Alice利用所有源数据包造编码数据包v_t，最后源节点Alice对编码数据包v_t进行信道编码产生待发送数据包p_t，然后将待发送数据包p_t发送给接收端Bob；

4)目的节点Bob收待发送数据包p_t，然后转至步骤1)中，直至完成当前时隙的信息传输为止。

步骤1)中τ₀的选取准则为：

目的节点Bob基于t-1时隙的信道系数

对t时隙信道发生中断的概率P_out进行预测，得

其中，

表示低阶不完全伽马函数。

步骤3)中当FB_out为0时，源节点Alice从未成功接收的喷泉编码数据包集合

中随机选出一个数据包u_n，p，然后利用成功接收的喷泉编码数据包集合

中所有已解码的数据包{u_d，1，u_d，2，...，u_d，k}构造编码数据包v_t，其中，

步骤3)中当FB_out为1时，Alice利用所有源数据包造编码数据包v_t，其中，

在第t时隙内，节点i和节点j之间的信道系数

服从循环对称复高斯分布，即

(i≠j，i，j∈{A，B，E})。

信道系数

满足一阶马尔科夫模型，即

其中，ρ_ij为

与

之间的相关系数，相邻时隙内信道系数间的差异

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法在具体操作时，仅仅依靠数据包之间的异或操作、接收端的信道预测及有限反馈即可实现信息的安全传输，不需要在发射机和接收机上安装多个天线设备，也不需要消耗额外的功率产生人工噪声，设备复杂度较低。与已有基于密钥反馈的安全传输方案相比，本发明无需在收发双方之间进行必要的密钥协商或者预共享操作，系统的资源开销较低。

附图说明

图1为QoS(Quality of Service)违反概率随信道相关系数变化曲线图；

图2为QoS违反概率随中断门限变化的仿真结果图；

图3为Eve节点的截获概率随源数据包数量K的变化曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

在蜂窝网络中，由于无线信道固有的开放特性，基站与指定用户之间发送的信号也可以被网络中的其他用户或恶意窃听者接收到，从而造成信息泄露，为用户带来不可预料的后果和损失。

为此，本发明所述的蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法包括以下步骤：

将蜂窝网络中的基站和用户分别作为源节点Alice及目的节点Bob，将蜂窝网络中的恶意用户作为窃听节点Eve，源节点Alice、目的节点Bob及窃听节点Eve均配置单根天线，源节点Alice的发射功率为P，源节点Alice、目的节点Bob及窃听节点Eve的接收机加性噪声功率均为N₀，系统的平均信噪比

在第t时隙内，节点i和节点j之间的信道系数

服从循环对称复高斯分布，即

(i≠j，i，j∈{A，B，E})，设

则

服从参数为

的指数分布；信道系数

满足一阶马尔科夫模型：

其中，ρ_ij为

与

之间的相关系数，相邻时隙内信道系数间的差异

为实现源节点Alice与目的节点Bob之间的可靠及安全通信，源节点Alice采用喷泉编码机制发送数据包，具体的，源节点Alice将原始文件等分为K个源数据包，记作(u₁，u₂，...，u_K)；源节点Alice再根据K个源数据包产生一系列喷泉编码数据包(v₁，v₂，...)；然后将每个喷泉编码数据包v_k通过信道编码产生待发送数据包p_k，然后将待发送数据包p_k发送给目的节点Bob；

其中，源节点Alice根据K个源数据包产生一系列喷泉编码数据包(v₁，v₂，...)的具体操作过程为：

1)在第t-1时隙，目的节点Bob根据收到的待发送数据包p_t-1尝试解码出喷泉编码数据包v_t-1，当目的节点Bob物理层解码成功(通过CRC校验)时，则保存喷泉编码数据包v_t-1并将其用于后续喷泉码的解码，同时将反馈参数FB_deco赋值为1；当目的节点Bob物理层解码未成功解码时，则将v_t-1丢弃，同时将反馈参数FB_deco赋值为0，然后目的节点Bob基于t-1时隙的信道系数

对t时隙信道发生中断的概率P_out进行预测，得

其中，

表示低阶不完全伽马函数；设τ₀为最大中断概率阈值，当P_out＞τ₀，则令反馈参数FB_out＝1，否则，则令反馈参数FB_out＝0，然后目的节点Bob通过反馈信道将包含FB_deco及FB_out的2比特信息反馈给源节点Alice；

2)源节点Alice根据目的节点Bob的反馈信息FB_deco更新当前已经被目的节点Bob成功接收的喷泉编码数据包集合

以及未成功接收的喷泉编码数据包集合

3)源节点Alice根据目的节点Bob的反馈信息FB_out确定当前时隙的喷泉编码策略，当FB_out为0时，源节点Alice从未成功接收的喷泉编码数据包集合

中随机选出一个数据包u_n，p，然后利用成功接收的喷泉编码数据包集合

中所有已解码的数据包{u_d，1，u_d，2，...，u_d，k}构造编码数据包v_t，其中，

即将所有已经解码的数据包与一个未解码的数据包作异或运算，此时编码数据包的度为1；当FB_out为1时，Alice利用所有源数据包造编码数据包v_t，其中，

此时，编码数据包的度为K。最后源节点Alice对编码数据包v_t进行信道编码产生待发送数据包p_t，然后将待发送数据包p_t发送给接收端Bob；

4)目的节点Bob收待发送数据包p_t，然后转至步骤1)中，直至完成当前时隙的信息传输为止。

步骤1)中τ₀的选取准则为：

步骤1)至步骤4)中所述的发送和接收策略能够保证在Alice-Bob信道处于深衰落时(即P_out＞τ₀)，窃听节点Eve即使正确恢复出源节点Alice发送的编码数据包v_t也不能立即解码出一个源数据包，因为此时编码包v_t的度为K，窃听节点Eve必须获得足够多的编码包才能完成喷泉码解码，由此保证了传输安全；相反，当Alice-Bob信道质量很好时，编码包v_t的度为1，目的节点Bob恢复出v_t以后，可以实时解码出源数据包u_n，p，从而降低传输时延。

Claims (5)

1.一种蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

蜂窝网络中的基站和用户分别作为源节点Alice及目的节点Bob，将蜂窝网络中的恶意用户作为窃听节点Eve，源节点Alice、目的节点Bob及窃听节点Eve均配置单根天线，源节点Alice的发射功率为P，源节点Alice、目的节点Bob及窃听节点Eve的接收机加性噪声功率均为N₀，在第t时隙内，节点i和节点j之间的信道系数

服从循环对称复高斯分布，即

i≠j，i，j∈{A，B，E}，

表示信道的统计分布参数，A表示源节点，B为目的节点，E为窃听节点，设

则

服从参数为

的指数分布；信道系数

满足一阶马尔科夫模型，为实现源节点Alice与目的节点Bob之间的可靠及安全通信，源节点Alice采用喷泉编码策略发送数据包，具体的，源节点Alice将原始文件等分为K个源数据包，记作(u₁，u₂，...，u_K)；源节点Alice再根据K个源数据包产生一系列喷泉编码数据包(v₁，v₂，...)；然后将每个喷泉编码数据包v_k通过信道编码产生待发送数据包p_k，然后将待发送数据包p_k发送给目的节点Bob；

具体操作过程为：

1)在第t-1时隙，目的节点Bob根据收到的待发送数据包p_t-1尝试解码出喷泉编码数据包v_t-1，当目的节点Bob物理层解码成功时，则保存喷泉编码数据包v_t-1并将其用于后续喷泉码的解码，同时将反馈参数FB_deco赋值为1；当目的节点Bob物理层解码未成功解码时，则将v_t-1丢弃，同时将反馈参数FB_deco赋值为0，然后目的节点Bob基于第t-1时隙的信道系数

对第t时隙信道发生中断的概率P_out进行预测；

设τ₀为最大中断概率阈值，当P_out＞τ₀，则令反馈参数FB_out＝1，否则，则令反馈参数FB_out＝0，然后目的节点Bob通过反馈信道将包含FB_deco及FB_out的2比特信息反馈给源节点Alice；

2)源节点Alice根据目的节点Bob的反馈参数FB_deco更新当前已经被目的节点Bob成功接收的喷泉编码数据包集合

以及未成功接收的喷泉编码数据包集合u；

3)源节点Alice根据目的节点Bob的反馈参数FB_out确定第t时隙的喷泉编码策略，当FB_out为0时，源节点Alice从未成功接收的喷泉编码数据包集合u中随机选出一个数据包u_n，p，然后利用成功接收的喷泉编码数据包集合

中所有已解码的数据包{u_d，1，u_d，2，...，u_d，k}构造喷泉编码数据包v_t；当FB_out为1时，Alice利用所有源数据包构造喷泉编码数据包v_t，最后源节点Alice对喷泉编码数据包v_t进行信道编码产生待发送数据包p_t，然后将待发送数据包p_t发送给目的节点Bob；

4)目的节点Bob接收待发送数据包p_t，然后转至步骤1)中，直至完成第t时隙的信息传输为止。

2.根据权利要求1所述的蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法，其特征在于，步骤1)中τ₀的选取准则为：

其中，R表示A的信息发送速率；

ρ_AB表示信道系数

与

之间的相关系数，SNR表示平均信噪比。

3.根据权利要求2所述的蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法，其特征在于，步骤1)中目的节点Bob基于第t-1时隙的信道系数

对第t时隙信道发生中断的概率P_out进行预测，得

其中，P_r[·]表示概率运算符，

表示低阶不完全伽马函数。

4.根据权利要求1所述的蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法，其特征在于，步骤3)中当FB_out为0时，源节点Alice从未成功接收的喷泉编码数据包集合

中随机选出一个数据包u_n，p，然后利用成功接收的喷泉编码数据包集合

中所有已解码的数据包{u_d，1，u_d，2，...，u_d，k}构造喷泉编码数据包v_t，其中，

5.根据权利要求1所述的蜂窝网络中基于中断预测和有限反馈的喷泉编码安全传输方法，其特征在于，步骤3)中当FB_out为1时，Alice利用所有源数据包造喷泉编码数据包v_t，其中，

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