CN117651076A - 适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法。本发明针对现有水声通信技术中存在带宽占用多，加密性差的问题，提出了适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，对于发送端发送的原始文本信息，首先利用字典表映射为转译字符，字典编码技术保证转译字符字典的唯一性，同时转译字符编译分块可避免过高的字典表条目，保证一定解码准确性的而同时，可以提高编译与解译的处理时延，保证小的存储需求。按照转译字符序列中各字符出现的频率构建哈夫曼树，并根据哈夫曼树生成每个字符对应的哈夫曼编码，从而进一步压缩数据。利用双信道，即使在窄信道条件下也能满足水下战比特型数据的信源压缩编码技术的需要。
Description
技术领域
本发明涉及通信技术领域，尤其涉及一种适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法。
背景技术
陆地上广泛使用的电磁波无线通信，由于水对电磁波具有很高的吸收能力和水对电磁波的传输具有较高的衰减率、多径传播现象的影响，使得电磁波无线通信在水中通常受到极大的限制。为了克服水中通信困难，常常需要采用特殊的传输技术，例如声波通信、光纤通信或搭建专门的水下通信网络。
声波通信是一种在水下广泛应用的传输技术。声波在水中传播的速度比空气中的声速要快得多，而且水对声波的吸收较低，使其成为水下通信的有效选择。通过利用声波的传播特性，可以实现相对较长的通信距离和较高的速率。此外，声波通信也可以适应不同的水下环境，如海洋、湖泊和河流。但由于在水下通信中，带宽是有限的资源，对压缩后的数据进行带宽管理与优化是非常重要的，
然而现有技术中存在严重的多径效应。当传输距离大于水深时，同一波束内从不同路径传输的声波，会由于路径长度的差异，产生能量的差异和时间的延迟使信号展宽，导致波形的码间干扰；2.通信速率低。水下声信道的随机变化特性，导致水下通信带宽十分有限；3.多普勒效应、起伏效应等。由发送与接收节点间的相对位移产生的多普勒效应会导致载波偏移及信号幅度的降低，与多径效应并发的多普勒频展将影响信息解码。因此现有的水声通信技术存在水下通信带宽有限，导致无法正常解码获得原有信息的问题。
发明内容
此本发明针对现有的水声通信技术存在水下通信带宽有限，多径效应导致无法正常解码获得原有信息的问题，提供了一种适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，面向窄带通信选择对传输的信息进行压缩，更好的满足水下战比特型数据的信源压缩编码技术的需要，形成适配作战要求的信息压缩编码能力。
适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，包括以下步骤：
S1：将发送端传输的原始文本信息进行第一次编码，将原始文本信息转化为二进制比特型数据；
S2：将S1获得的二进制比特型数据转化为转译字符；
S3：基于哈夫曼最优二叉树编码的信息压缩算法对S2获得的转译字符进行处理，获得每个转译字符对应的哈夫曼编码，根据哈夫曼编码对S2获得的转译字符进行二次编码，得到二次编码后的二进制比特型数据；在得到的哈夫曼码中插入同步标签，得到具有同步标签的哈夫曼码；
S4：将S3获得的具有同步标签的哈夫曼码和二次编码后的二进制比特型数据通过水声信道传输给接收端；
S5：接收端通过译码器对具有同步标签的哈夫曼码和二次编码后的二进制比特型数据进行第一次译码处理，得到一次译码后的转译字符；
S6：接收端采用字典表反映射的方法，将S5获得的一次译码后的转译字符进行二次译码，将转译字符转化为发送端传输的原始文本信息。
有益效果：
本发明对于发送端发送的原始文本信息，首先利用字典表映射为转译字符，字典编码技术确保了每一个分块都有特定的、唯一的转译字符与之一一映射，因此可以保证转译字符字典的唯一性，避免相似的数据块被编码成相同的转译字符。同时转译字符编译分块可避免过高的字典表条目，保证一定解码准确性的同时，可以提高编译与解译的处理时延，保证小的存储需求。按照转译字符序列中各字符出现的频率构建哈夫曼树，并根据哈夫曼树生成每个字符对应的哈夫曼编码，从而进一步压缩数据。整个方案利用双信道，即使在窄信道条件下也能满足水下战比特型数据的信源压缩编码技术的需要，因此面向窄带通信选择对传输的信息进行压缩，更好的满足水下战比特型数据的信源压缩编码技术的需要，形成适配作战要求的信息压缩编码能力。
附图说明
图1是本发明的流程示意图；
图2是本发明的Huffman树的结构示意图；
图3是本发明的Huffman树的结构的不同字母对应的码字示意图。
具体实施方式
针对水下信道恶劣的环境，水声通信的带宽非常有限。因此为了最大程度地利用有限的带宽，考虑对比特流数据报文使用编码压缩技术。对于比特型数据首先采用分块字典表映射的方法，把比特流映射为字符；根据转译字符的特点采用压缩算法，对压缩后的结果进行传输，从而减少对传输过程中带宽的占用；最终实现更短的传输位数和更高效的水下信息传输效率。
具体实施方式一：结合图1说明本发明的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，包括：S1：对于发送端传输的原始文本信息进行第一次编码，利用ASCII编码将原始文本信息转化为二进制比特型数据；
本方案是用于面向水下战的比特型数据传输方案，发送端和接收端包括水下潜艇，水下收发设备等；原始文本信息水下通信的主要包括科学数据(如海洋学研究数据)、军事信息(如潜艇和其他水下资产的指令和数据)、商业信息(例如水下设施的维护数据)等；海洋学研究数据例如水温和盐度等；潜艇和其他水下资产的指令和数据例如潜艇航速、经纬度、生物活动(如鲸鱼的叫声)和人为噪声(其他水下设备回波)等；
S2：采用字典表映射的方法，将S1获得的二进制比特型数据转化为转译字符；
对于发送端发送的原始文本信息，首先利用字典表映射为转译字符，字典编码技术确保了每一个分块都有特定的、唯一的转译字符与之一一映射，因此可以保证转译字符字典的唯一性，避免相似的数据块被编码成相同的转译字符同时，以b位为一组的转译字符编译分块可避免过高的字典表条目，保证一定解码准确性的而同时，可以提高编译与解译的处理时延，保证小的存储需求。
S3：采用基于哈夫曼最优二叉树编码的信息压缩算法技术将S2获得的转译字符进行第二次编码，获得二次编码后的二进制比特型数据；每次进行二次编码后会得到相应的哈夫曼码；
对所述得到的哈夫曼码进行同步标签处理；得到具有同步标签的哈夫曼码；
S4：将S3获得的具有同步标签的哈夫曼码和二次编码后的二进制比特型数据通过水声信道传输给接收端；
S5：接收端通过译码器对传输得到的具有同步标签的哈夫曼码和二次编码后的二进制比特型数据进行译码处理，得到译码后的转译字符；
S6：接收端采用字典表反映射的方法，将S5获得的译码后的转译字符进行二次译码，将译码后的转译字符转化为发送端传输的原始文本信息。
在编码端对数据进行处理后还应计算压缩比、传输效率对方案进行评估。
基于信息论的理论知识可得，设有一串a位的二进制比特流，以b位的比特流为单位进行映射，可得压缩比应为：
其中L_ave指的是平均码长，P(s)和L分别是基于先验概率已知的每个字符出现的概率和编码后的码长。面向比特型数据，其数据类型为“0”“1”比特序列。而经过信源编码压缩后的数据报文，其数据类型仍为“0”“1”比特序列。由压缩比可以看出，经过信源编码压缩算法的数据类型仍然未发生改变，且压缩比进一步提高。
现以信息熵的公式可得：
编码后信道的信息传输率为：
信源编码的目的是降低信源的冗余度、提高编码效率，即尽可能等概率地使用每个码元，每一个码元携带尽可能多的信息量，一定的信息量用尽可能少的码元来传送。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一的不同之处在于，
所述S1中将发送端传输的原始文本信息进行第一次编码，将原始文本信息转化为二进制比特型数据的具体过程为：
利用ASCII编码将原始文本信息转化为二进制比特型数据；
其他步骤与参数与具体实施方式一相同。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一至二的不同之处在于，
所述S2中将S1获得的二进制比特型数据转化为转译字符的具体过程为：
S2.1：对于S1获得的二进制比特型数据按照分块规则进行分块处理，得到多个比特块；
S2.2：将S1获得的所有比特块通过字典表映射的方法转换为对应的转译字符，其他步骤与参数与具体实施方式一至二之一相同。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至四的不同之处在于，所述S2.1中分块规则为：分块处理时每个比特块中包含的比特数量相同，当在最后一个小块不满足等位分时，采用后继位补“0”的方式进行填充。
在传输过程中能够便于处理和管理。例如将m位的比特流进行每n块的分块处理，最后将得到m/n块的比特块，当在最后一个小块不满足等位分时，应采用后继位补“0”的方式进行填充。。其他步骤与参数与具体实施方式一至三之一相同。
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四的不同之处在于，
所述S2.2将S1获得的所有比特块通过字典表映射的方法转换为对应的转译字符；具体过程为：
将S2.1获得的每个比特块的编码与字典表内一个转译字符相对应，得到一个转译字符；所有比特块的编码分别与字典表内的一个转译字符相对应，得到所有转译字符。
转译字典为接收端和发送端共同知道的密码本，根据使用者自行确定每个转译字符的格式以及对应的编码。
例如：
假设已知比特流数据为：
| 01110010000000010000001000101010 |
设转译字典表为：
| a:0000 | e:0100 | i:1000 | m:1100 |
| b:0001 | f:0101 | j:1001 | n:1101 |
| c:0010 | g:0110 | k:1010 | o:1110 |
| d:0011 | h:0111 | l:1011 | p:1111 |
转移字典中的转译字符a，b，a代表0000，编码就对应转译字符a，每个比特块的长度为4，原比特流数据经过查表转译后得：
| h | c | a | b | a | c | c | k |
转译字符代表了每个块中的比特组合，通过特定编码规则将其映射为对应的字符，采用字典表映射的方式来生成一一对应的转译字符。在生成字典表时，将每个块的编码与一个特定的标识符相对应，用唯一的标识符来表示每个块。
具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五的不同之处在于，
所述S3中基于哈夫曼最优二叉树编码的信息压缩算法对S2获得的转译字符进行处理，获得每个转译字符对应的哈夫曼编码，根据哈夫曼编码对S2获得的转译字符进行二次编码，得到二次编码后的二进制比特型数据；在得到的哈夫曼码中插入同步标签，得到具有同步标签的哈夫曼码；
具体过程为：
S3.1：对转译字符进行统计，得到每个转译字符出现的次数或频率；
例如：假设计算转译字符串中每个转译字符的频率：
| a | b | c | h | k |
| 2 | 1 | 3 | 1 | 1 |
按照转译字符出现的频率进行排序，组成一个队列M:
| h | b | k | a | c |
| 1 | 1 | 1 | 2 | 3 |
S3.2：根据每个转译字符的出现频率，构建哈夫曼树，并根据哈夫曼树生成每个转译字符对应的哈夫曼编码；Huffman树如图2所示：
S3.3：根据S3.2获得的哈夫曼编码对S2获得的转译字符进行二次编码，得到二次编码后的二进制比特型数据。
S3.4：定义一个二进制值作为同步标签，在S3.2得到的哈夫曼码中插入同步标签，得到具有同步标签的哈夫曼码；
所述定义的一个二进制值不能是任何有效哈夫曼码字的前缀，也不能与数据流中的常见序列混淆。通常，这个二进制值的长度要比最长的哈夫曼码字长，以确保其唯一性。
所述插入同步标签的规则为在每8个哈夫曼码的比特流之间插入同步标签
；其他步骤与参数与具体实施方式一至五之一相同。
具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六的不同之处在于，S3.2中根据每个转译字符的出现频率，构建哈夫曼树，并根据哈夫曼树生成每个转译字符对应的哈夫曼编码；具体过程为：
S3.2.1：根据S3.1得到的每个字符出现的次数或频率，为每个字符构建一个叶子节点，如图2所示，1个字符对应一个叶子节点，所述叶子节点的权重设置为对应字符的频率；
S3.2.2：将S3.2.1获得的所有叶子节点按照权重从小到大排序构建最小堆，使最小权重的节点位于最小堆的顶部；
S3.2.3：合并叶子节点，从最小堆中取出两个权重最小的叶子节点作为左右叶子子节点，将左右叶子子节点合并为一个新的叶子节点；将创建的新的叶子节点放回最小堆中，并对新的最小堆进行从小到大排序，使最小权重的叶子节点位于最小堆的顶部；
所述创建的新的叶子节点的权重为两个叶子子节点的权重之和；
S3.2.4：重复执行S3.2.3，直到最小堆中只剩下一个叶子节点停止，将剩下的叶子节点设置为哈夫曼树的根节点，获得哈夫曼树；
S3.2.5：根据哈夫曼树生成每个转译字符对应的哈夫曼编码，从根节点开始，向左走记为“1”，向右走记为“0”；每到达一个叶节点，就记录从根节点到该叶节点的路径，这个路径就是该字符的哈夫曼编码。
例如：根据图2的Huffman树的结构，为每个字符从根节点到达叶子节点的路径分配编码。一般来说，从根节点到左子节点的路径表示编码位1，从根节点到右子节点的路径表示编码位0。获得如图3所示不同字母对应的码字及概率空间如下表所示：
所述S3中对所述得到的哈夫曼码进行同步标签处理的具体过程为：
定义一个特殊的二进制值作为同步标签，在二次编码后得到相应的哈夫曼码中插入同步标签，得到具有同步标签的哈夫曼码；所述定义的一个二进制值不能是任何有效哈夫曼码字的前缀，也不能与数据流中的常见序列混淆。通常，这个二进制值的长度要比最长的哈夫曼码字长，以确保其唯一性。
所述插入同步标签的规则为在每8个哈夫曼码的比特流之间插入同步标签。
其他步骤与参数与具体实施方式一至六之一相同。
具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七的不同之处在于，
所述S4中水声信道为双信道，具有同步标签的哈夫曼码和二次编码后的二进制比特型数据分别在双信道中各取一个信道进行同步传输。即使在窄信道条件下也能满足水下战比特型数据的信源压缩编码技术的需要。具有同步标签的哈夫曼码和二次编码后的二进制比特型数据不在一个通道传输。
其他步骤与参数与具体实施方式一至七之一相同。
具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八的不同之处在于，
所述S5中译码处理过程为：采用接收的具有同步标签的哈夫曼码对接收的二次编码后的二进制比特型数据进行译码。具体过程为：
接收端开始接收数据。接收端检测到同步标签出现在数据中，确认同步标签的存在。接收端确定同步标签之后的比特流为编码后的哈夫曼码数据。接收端进行相应的解码处理，将编码后的哈夫曼码数据转换为原始的转译字符。其他步骤与参数与具体实施方式一至八之一相同。
具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九的不同之处在于，本实施方式的所述S6中接收端采用字典表反映射的方法，将S5获得的译码后的转译字符进行二次译码的具体过程为：采用和发送端相同的字典表，将S5获得的译码后的所有转译字符转译成对应的比特块，再将所有转译后的比特块进行拼接，最后得到发送端传输的原始文本信息。。其他步骤与参数与具体实施方式一至九之一相同。
以上，仅是本发明的较佳实施例进行了描述，需要理解的是本发明并不局限于上述特定实施方式，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容做出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质，在本发明的精神和原则之内，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将发送端传输的原始文本信息进行第一次编码，将原始文本信息转化为二进制比特型数据；
S2：将S1获得的二进制比特型数据转化为转译字符；
S3：基于哈夫曼最优二叉树编码的信息压缩算法对S2获得的转译字符进行处理，获得每个转译字符对应的哈夫曼编码，根据哈夫曼编码对S2获得的转译字符进行二次编码，得到二次编码后的二进制比特型数据；在得到的哈夫曼码中插入同步标签，得到具有同步标签的哈夫曼码；
S4：将S3获得的具有同步标签的哈夫曼码和二次编码后的二进制比特型数据通过水声信道传输给接收端；
S5：接收端通过译码器对具有同步标签的哈夫曼码和二次编码后的二进制比特型数据进行一次译码处理，得到一次译码后的转译字符；
S6：接收端采用字典表反映射的方法，将S5获得的一次译码后的转译字符进行二次译码，将转译字符转化为发送端传输的原始文本信息。
2.根据权利要求1所述的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于，
所述S1中将发送端传输的原始文本信息进行第一次编码，将原始文本信息转化为二进制比特型数据的具体过程为：
利用ASCII编码将原始文本信息转化为二进制比特型数据。
3.根据权利要求2所述的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于，
所述S2中将S1获得的二进制比特型数据转化为转译字符的具体过程为：
S2.1：对S1获得的二进制比特型数据按照分块规则进行分块处理，得到多N个比特块，N为正整数；
S2.2：将S1获得的所有比特块通过字典表映射的方法转换为对应的转译字符。
4.根据权利要求3所述的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于，所述S2.1中分块规则为：分块处理时每个比特块中包含的比特数量相同，当在最后一个小块不满足等位分时，采用后继位补“0”的方式进行填充。
5.根据权利要求4所述的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于，所述S2.2将S1获得的所有比特块通过字典表映射的方法转换为对应的转译字符；具体过程为：
将S2.1获得的每个比特块的编码与字典表内一个转译字符相对应，得到一个转译字符；所有比特块的编码分别与字典表内的一个转译字符相对应，得到所有转译字符。
6.根据权利要求5所述的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于
所述S3中基于哈夫曼最优二叉树编码的信息压缩算法对S2获得的转译字符进行处理，获得每个转译字符对应的哈夫曼编码，根据哈夫曼编码对S2获得的转译字符进行二次编码，得到二次编码后的二进制比特型数据；在得到的哈夫曼编码中插入同步标签，得到具有同步标签的哈夫曼码；
具体过程为：
S3.1：对转译字符进行统计，得到每个转译字符出现的频率；
S3.2：根据每个转译字符的出现频率，构建哈夫曼树，并根据哈夫曼树生成每个转译字符对应的哈夫曼编码；
S3.3：根据S3.2获得的哈夫曼编码对S2获得的转译字符进行二次编码，得到二次编码后的二进制比特型数据；
S3.4：定义一个二进制值作为同步标签，在S3.2得到的哈夫曼编码中插入同步标签，得到具有同步标签的哈夫曼码；
所述插入同步标签的规则为在每8个哈夫曼码的比特流之间插入同步标签。
7.根据权利要求6所述的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于，所述S3.2中根据每个转译字符的出现频率，构建哈夫曼树，并根据哈夫曼树生成每个转译字符对应的哈夫曼编码；具体过程为：
S3.2.1：根据S3.1得到的每个字符出现的频率，为每个字符构建一个叶子节点，所述叶子节点的权重设置为对应字符的频率；
S3.2.2：将S3.2.1获得的所有叶子节点按照权重从小到大排序构建最小堆，使最小权重的节点位于最小堆的顶部；
S3.2.3：合并叶子节点，从最小堆中取出两个权重最小的叶子节点作为左右叶子子节点，将左右叶子子节点合并为一个新的叶子节点；将创建的新的叶子节点放回最小堆中，并对新的最小堆进行从小到大排序，使最小权重的叶子节点位于最小堆的顶部；
所述创建的新的叶子节点的权重为两个叶子子节点的权重之和；
S3.2.4：重复执行S3.2.3，直到最小堆中只剩下一个叶子节点停止，将剩下的叶子节点设置为哈夫曼树的根节点，获得哈夫曼树；
S3.2.5：根据哈夫曼树生成每个转译字符对应的哈夫曼编码，具体过程为：
从根节点开始，向左走记为“1”，向右走记为“0”；到达一个叶子子节点，记录从根节点到叶子子节点的路径，这个路径就是叶子子节点对应的字符的哈夫曼编码。
8.根据权利要求7所述的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于，所述S4中水声信道为双信道，具有同步标签的哈夫曼码和二次编码后的二进制比特型数据分别在双信道中各取其中一个信道进行同步传输。
9.根据权利要求8所述的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于，所述S5中译码处理过程为：采用接收的具有同步标签的哈夫曼码对接收的二次编码后的二进制比特型数据进行译码。
10.根据权利要求9所述的适配跨域多信道保密信源编码压缩解压方法，其特征在于，所述S6中接收端采用字典表反映射的方法，将S5获得的译码后的转译字符进行二次译码；具体过程为：
采用和发送端相同的字典表，将S5获得的译码后的所有转译字符转译成对应的比特块，再将所有转译后的比特块进行拼接，最后得到发送端传输的原始文本信息。
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