本發(fā)明屬于無(wú)線通信技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種物聯(lián)網(wǎng)中基于信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法。

背景技術(shù)：

過(guò)去幾年，隨著無(wú)線通信技術(shù)的飛速發(fā)展及其廣泛應(yīng)用，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題也受到了越來(lái)越多的關(guān)注。

目前，傳統(tǒng)的保障安全傳輸?shù)闹髁鞣椒ㄊ峭ㄟ^(guò)加密實(shí)現(xiàn)的，但是，未來(lái)眾多的無(wú)線業(yè)務(wù)對(duì)安全等級(jí)的需求千變?nèi)f化，加密方法也難以滿足其需求。與傳統(tǒng)加密技術(shù)相比，物理層安全技術(shù)的基本思想是利用無(wú)線通信技術(shù)將無(wú)線信道中的各種衰落、噪聲以及干擾因素轉(zhuǎn)變?yōu)閷?duì)抗竊聽的工具，從而實(shí)現(xiàn)物理層的安全傳輸。并且從應(yīng)用的角度來(lái)看，還具有易實(shí)現(xiàn)、易維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。

噴泉編碼憑借其特有優(yōu)勢(shì)在數(shù)據(jù)廣播以及存儲(chǔ)等方面應(yīng)用較多，但卻很少將它運(yùn)用到網(wǎng)絡(luò)安全問(wèn)題上。根據(jù)噴泉碼的基本特性將其應(yīng)用到網(wǎng)絡(luò)安全上是可行的，只要合法接收用戶能夠先于竊聽者累積到所需的噴泉碼數(shù)據(jù)包就可以保障傳輸?shù)陌踩?。因此，針?duì)傳統(tǒng)保障安全方法的缺點(diǎn)以及噴泉編碼在物理層編碼保障安全傳輸?shù)目尚行?，研究一種具體的噴泉編碼抗竊聽安全傳輸方法具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種物聯(lián)網(wǎng)中基于信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法，該傳輸方法抗竊聽性能較好，安全性較高。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的物聯(lián)網(wǎng)中基于信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法包括以下步驟：

1)設(shè)通信系統(tǒng)包含一個(gè)發(fā)送端alice及一個(gè)合法接收端bob，且通信系統(tǒng)的無(wú)線信道采用瑞利衰落信道模型，發(fā)送端alice將源文件分為k個(gè)原始數(shù)據(jù)包，再選擇其中任意一個(gè)原始數(shù)據(jù)包作為第一個(gè)編碼包，然后再發(fā)送選擇出來(lái)的第一個(gè)編碼包；

2)在第k個(gè)時(shí)隙，發(fā)送端alice通過(guò)合法接收端bob反饋回的1bit信息確定合法接收端bob是否成功接收該時(shí)隙發(fā)送的編碼包，當(dāng)合法接收端bob成功接收該當(dāng)前時(shí)隙發(fā)送的編碼包時(shí)，則依據(jù)重要性及信道質(zhì)量選擇一個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，然后對(duì)選擇出來(lái)的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時(shí)隙發(fā)送的編碼包；當(dāng)合法接收端bob沒有成功接收當(dāng)前時(shí)隙發(fā)送的編碼包時(shí)，則發(fā)送端alice在下一時(shí)隙發(fā)送的編碼包與當(dāng)前時(shí)隙沒有成功接收的編碼包相同，同時(shí)，發(fā)送端alice根據(jù)合法接收端bob反饋的1bit信息構(gòu)建合法接收端bob已解碼的原始數(shù)據(jù)包集合d及合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u；

3)判斷合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u是否為空集，當(dāng)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u不為空集時(shí)，則轉(zhuǎn)至步驟2)，當(dāng)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u為空集時(shí)，則合法接收端bob已經(jīng)接收到所有的原始數(shù)據(jù)包，合法接收端bob根據(jù)接收到所有原始數(shù)據(jù)包恢復(fù)出源文件，完成基于信道反饋的抗竊聽噴泉碼構(gòu)造。

步驟2)中對(duì)選擇出來(lái)的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時(shí)隙發(fā)送的編碼包的具體操作為：

當(dāng)合法接收端bob收到發(fā)送端alice在第時(shí)隙發(fā)送的編碼包ti時(shí)，則發(fā)送端alice在i+1時(shí)隙發(fā)送的編碼包ti+1為：

其中，b為合法接收端bob解碼出的所有原始數(shù)據(jù)包的異或運(yùn)算結(jié)果，sx+1∈u，sx+1為發(fā)送端alice依據(jù)重要性及信道質(zhì)量選擇出來(lái)的一個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包。

在每個(gè)時(shí)隙，發(fā)送端alice對(duì)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u內(nèi)所有未解碼的原始數(shù)據(jù)包按照重要因子imx從大到小進(jìn)行排序，其中，u＝{u1，u2，uc…，ul}，uc為第c個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，當(dāng)c越小，則uc越重要。

在已經(jīng)解碼出的原始數(shù)據(jù)包集合d之后，將合法接收端bob收到原始數(shù)據(jù)包tx與未收到原始數(shù)據(jù)包tx分別恢復(fù)出的圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)像素值差值的絕對(duì)值之和作為該原始數(shù)據(jù)包tx的重要因子imx。

依據(jù)重要性及信道質(zhì)量選擇一個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，其中，信道質(zhì)量越好，則所對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)包越重要，即該原始數(shù)據(jù)包被選擇出來(lái)的概率越大。

當(dāng)指標(biāo)c越大，則原始數(shù)據(jù)包uc被選擇出來(lái)的概率越大，其中，

其中，l為合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目，z0為預(yù)設(shè)的信道質(zhì)量好壞的分界點(diǎn)，z為發(fā)送端alice與合法接收端bob之間的實(shí)時(shí)信道增益，z＝|hab|²且d為發(fā)送端alice與合法接收端bob之間的距離，α為發(fā)送端alice與合法接收端bob之間的路徑損耗，α為大于1的常數(shù)。

本發(fā)明具有以下有益效果：

本發(fā)明所述的物聯(lián)網(wǎng)中基于信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法在具體操作時(shí)，在第k個(gè)時(shí)隙，發(fā)送端alice通過(guò)合法接收端bob反饋回的1bit信息確定合法接收端bob是否成功接收該時(shí)隙發(fā)送的編碼包，當(dāng)合法接收端bob成功接收該當(dāng)前時(shí)隙發(fā)送的編碼包時(shí)，則選擇一個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，然后對(duì)選擇出來(lái)的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時(shí)隙發(fā)送的編碼包，從而有效的提高竊聽者eve的誤碼率，抗竊聽性能優(yōu)良，信息傳輸?shù)陌踩暂^高，同時(shí)，當(dāng)合法接收端bob沒有成功接收當(dāng)前時(shí)隙發(fā)送的編碼包時(shí)，則發(fā)送端alice在下一時(shí)隙發(fā)送的編碼包與當(dāng)前時(shí)隙沒有成功接收的編碼包相同，從而使合法接收端bob能夠恢復(fù)出完整的源文件。

進(jìn)一步，當(dāng)合法接收端bob接收到上一個(gè)時(shí)隙的編碼包后，在該時(shí)隙發(fā)送端alice將要發(fā)送的編碼包由一個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包異或前一時(shí)隙合法接收端bob解碼處的所有原始數(shù)據(jù)包得到，因此竊聽者eve在竊聽過(guò)程中只要有一個(gè)編碼包沒有接收成功，那么它將無(wú)法解碼出剩余的未解碼的原始數(shù)據(jù)包，從而導(dǎo)致其竊聽失敗。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明所采用的系統(tǒng)模型圖；

圖2為已有方法與本發(fā)明所提碼字構(gòu)造方法的復(fù)雜度對(duì)比圖；

圖3為已有方法與本發(fā)明的竊聽者eve截獲概率隨原始數(shù)據(jù)包數(shù)目k的變化曲線圖；

圖4a為原圖；

圖4b為合法接收端bob恢復(fù)出的圖像；

圖4c為竊聽者eve竊取的圖像。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：

參考圖1，本發(fā)明所述的物聯(lián)網(wǎng)中基于信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法包括以下步驟：

1)設(shè)通信系統(tǒng)包含一個(gè)發(fā)送端alice及一個(gè)合法接收端bob，且通信系統(tǒng)的無(wú)線信道采用瑞利衰落信道模型，發(fā)送端alice將源文件分為k個(gè)原始數(shù)據(jù)包，再選擇其中任意一個(gè)原始數(shù)據(jù)包作為第一個(gè)編碼包，然后再發(fā)送選擇出來(lái)的第一個(gè)編碼包；

2)在第k個(gè)時(shí)隙，發(fā)送端alice通過(guò)合法接收端bob反饋回的1bit信息確定合法接收端bob是否成功接收該時(shí)隙發(fā)送的編碼包，當(dāng)合法接收端bob成功接收該當(dāng)前時(shí)隙發(fā)送的編碼包時(shí)，則依據(jù)重要性及信道質(zhì)量選擇一個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，然后對(duì)選擇出來(lái)的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時(shí)隙發(fā)送的編碼包；當(dāng)合法接收端bob沒有成功接收當(dāng)前時(shí)隙發(fā)送的編碼包時(shí)，則發(fā)送端alice在下一時(shí)隙發(fā)送的編碼包與當(dāng)前時(shí)隙沒有成功接收的編碼包相同，同時(shí)，發(fā)送端alice根據(jù)合法接收端bob反饋的1bit信息構(gòu)建合法接收端bob已解碼的原始數(shù)據(jù)包集合d及合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u；

3)判斷合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u是否為空集，當(dāng)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u不為空集時(shí)，則轉(zhuǎn)至步驟2)，當(dāng)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u為空集時(shí)，則合法接收端bob已經(jīng)接收到所有的原始數(shù)據(jù)包，合法接收端bob根據(jù)接收到所有原始數(shù)據(jù)包恢復(fù)出源文件，完成基于信道反饋的抗竊聽噴泉碼構(gòu)造。

步驟2)中對(duì)選擇出來(lái)的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進(jìn)行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時(shí)隙發(fā)送的編碼包的具體操作為：

當(dāng)合法接收端bob收到發(fā)送端alice在第時(shí)隙發(fā)送的編碼包ti時(shí)，則發(fā)送端alice在i+1時(shí)隙發(fā)送的編碼包ti+1為：

其中，b為合法接收端bob解碼出的所有原始數(shù)據(jù)包的異或運(yùn)算結(jié)果，sx+1∈u，sx+1為發(fā)送端alice依據(jù)重要性及信道質(zhì)量選擇出來(lái)的一個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包。

在每個(gè)時(shí)隙，發(fā)送端alice對(duì)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u內(nèi)所有未解碼的原始數(shù)據(jù)包按照重要因子imx從大到小進(jìn)行排序，其中，u＝{u1，u2，uc…，ul}，uc為第c個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，當(dāng)c越小，則uc越重要。

在已經(jīng)解碼出的原始數(shù)據(jù)包集合d之后，將合法接收端bob收到原始數(shù)據(jù)包tx與未收到原始數(shù)據(jù)包tx分別恢復(fù)出的圖像對(duì)應(yīng)點(diǎn)像素值差值的絕對(duì)值之和作為該原始數(shù)據(jù)包tx的重要因子imx。

依據(jù)重要性及信道質(zhì)量選擇一個(gè)合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，其中，信道質(zhì)量越好，則所對(duì)應(yīng)的原始數(shù)據(jù)包越重要，即該原始數(shù)據(jù)包被選擇出來(lái)的概率越大。

當(dāng)指標(biāo)c越大，則原始數(shù)據(jù)包uc被選擇出來(lái)的概率越大，其中，

其中，l為合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包數(shù)目，z0為預(yù)設(shè)的信道質(zhì)量好壞的分界點(diǎn)，z為發(fā)送端alice與合法接收端bob之間的實(shí)時(shí)信道增益，z＝|hab|²且d為發(fā)送端alice與合法接收端bob之間的距離，α為發(fā)送端alice與合法接收端bob之間的路徑損耗，α為大于1的常數(shù)。

參考圖2，圖2的橫坐標(biāo)表示仿真次數(shù)，縱坐標(biāo)表示仿真相應(yīng)次數(shù)所運(yùn)行的時(shí)間，由圖2可知，在仿真條件相同的情況下，本發(fā)明具有更低的運(yùn)行復(fù)雜度，并且比已有方法的復(fù)雜度提升約19％左右(n＝100次時(shí)，t1＝100.384s,t2＝81.253s)，其原因在于本發(fā)明在編碼構(gòu)造時(shí)對(duì)編碼包的優(yōu)化。

參考圖3，從仿真結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明和現(xiàn)有的方案能夠達(dá)到的截獲率相同，都是隨著k的增大，竊聽者eve的截獲概率呈現(xiàn)近指數(shù)衰減規(guī)律。當(dāng)k較大時(shí)，竊聽者eve能夠達(dá)到一個(gè)非常低的截獲概率。例如，圖4a、圖4b及圖4c在做實(shí)際圖像(220x220的灰度圖)傳輸仿真時(shí)k＝(220x220)/10＝4840，此時(shí)竊聽者eve能從截獲的編碼包中恢復(fù)出極少的原始數(shù)據(jù)包。

從圖4a、圖4b及圖4c可以看出,采用本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)在合法用戶處無(wú)失真地恢復(fù)出原始圖像的同時(shí)，竊聽者eve從竊聽到的數(shù)據(jù)包恢復(fù)出的圖像失真巨大，從而達(dá)到安全傳輸?shù)哪康摹?/p>