一種物聯網中基於信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法與流程
2023-04-24 13:39:16
本發明屬於無線通信技術領域，涉及一種物聯網中基於信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法。
背景技術：
過去幾年，隨著無線通信技術的飛速發展及其廣泛應用，無線網絡安全問題也受到了越來越多的關注。
目前，傳統的保障安全傳輸的主流方法是通過加密實現的，但是，未來眾多的無線業務對安全等級的需求千變萬化，加密方法也難以滿足其需求。與傳統加密技術相比，物理層安全技術的基本思想是利用無線通信技術將無線信道中的各種衰落、噪聲以及幹擾因素轉變為對抗竊聽的工具，從而實現物理層的安全傳輸。並且從應用的角度來看，還具有易實現、易維護等優點。
噴泉編碼憑藉其特有優勢在數據廣播以及存儲等方面應用較多，但卻很少將它運用到網絡安全問題上。根據噴泉碼的基本特性將其應用到網絡安全上是可行的，只要合法接收用戶能夠先於竊聽者累積到所需的噴泉碼數據包就可以保障傳輸的安全性。因此，針對傳統保障安全方法的缺點以及噴泉編碼在物理層編碼保障安全傳輸的可行信，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。
技術實現要素：
本發明的目的在於克服上述現有技術的缺點，提供了一種物聯網中基於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。
為達到上述目的，本發明所述的物聯網中基於信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法包括以下步驟：
1)設通信系統包含一個發送端alice及一個合法接收端bob，且通信系統的無線信道採用瑞利衰落信道模型，發送端alice將源文件分為k個原始數據包，再選擇其中任意一個原始數據包作為第一個編碼包，然後再發送選擇出來的第一個編碼包；
2)在第k個時隙，發送端alice通過合法接收端bob反饋回的1bit信息確定合法接收端bob是否成功接收該時隙發送的編碼包，當合法接收端bob成功接收該當前時隙發送的編碼包時，則依據重要性及信道質量選擇一個合法接收端bob未解碼的原始數據包，然後對選擇出來的未解碼的原始數據包進行編碼，再將編碼的結果作為下一時隙發送的編碼包；當合法接收端bob沒有成功接收當前時隙發送的編碼包時，則發送端alice在下一時隙發送的編碼包與當前時隙沒有成功接收的編碼包相同，同時，發送端alice根據合法接收端bob反饋的1bit信息構建合法接收端bob已解碼的原始數據包集合d及合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u；
3)判斷合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u是否為空集，當合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u不為空集時，則轉至步驟2)，當合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u為空集時，則合法接收端bob已經接收到所有的原始數據包，合法接收端bob根據接收到所有原始數據包恢復出源文件，完成基於信道反饋的抗竊聽噴泉碼構造。
步驟2)中對選擇出來的未解碼的原始數據包進行編碼，再將編碼的結果作為下一時隙發送的編碼包的具體操作為：
當合法接收端bob收到發送端alice在第時隙發送的編碼包ti時，則發送端alice在i+1時隙發送的編碼包ti+1為：
其中，b為合法接收端bob解碼出的所有原始數據包的異或運算結果，sx+1∈u，sx+1為發送端alice依據重要性及信道質量選擇出來的一個合法接收端bob未解碼的原始數據包。
在每個時隙，發送端alice對合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u內所有未解碼的原始數據包按照重要因子imx從大到小進行排序，其中，u＝{u1，u2，uc…，ul}，uc為第c個合法接收端bob未解碼的原始數據包，當c越小，則uc越重要。
在已經解碼出的原始數據包集合d之後，將合法接收端bob收到原始數據包tx與未收到原始數據包tx分別恢復出的圖像對應點像素值差值的絕對值之和作為該原始數據包tx的重要因子imx。
依據重要性及信道質量選擇一個合法接收端bob未解碼的原始數據包，其中，信道質量越好，則所對應的原始數據包越重要，即該原始數據包被選擇出來的概率越大。
當指標c越大，則原始數據包uc被選擇出來的概率越大，其中，
其中，l為合法接收端bob未解碼的原始數據包數目，z0為預設的信道質量好壞的分界點，z為發送端alice與合法接收端bob之間的實時信道增益，z＝|hab|2且d為發送端alice與合法接收端bob之間的距離，α為發送端alice與合法接收端bob之間的路徑損耗，α為大於1的常數。
本發明具有以下有益效果：
本發明所述的物聯網中基於信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法在具體操作時，在第k個時隙，發送端alice通過合法接收端bob反饋回的1bit信息確定合法接收端bob是否成功接收該時隙發送的編碼包，當合法接收端bob成功接收該當前時隙發送的編碼包時，則選擇一個合法接收端bob未解碼的原始數據包，然後對選擇出來的未解碼的原始數據包進行編碼，再將編碼的結果作為下一時隙發送的編碼包，從而有效的提高竊聽者eve的誤碼率，抗竊聽性能優良，信息傳輸的安全性較高，同時，當合法接收端bob沒有成功接收當前時隙發送的編碼包時，則發送端alice在下一時隙發送的編碼包與當前時隙沒有成功接收的編碼包相同，從而使合法接收端bob能夠恢復出完整的源文件。
進一步，當合法接收端bob接收到上一個時隙的編碼包後，在該時隙發送端alice將要發送的編碼包由一個合法接收端bob未解碼的原始數據包異或前一時隙合法接收端bob解碼處的所有原始數據包得到，因此竊聽者eve在竊聽過程中只要有一個編碼包沒有接收成功，那麼它將無法解碼出剩餘的未解碼的原始數據包，從而導致其竊聽失敗。
附圖說明
圖1為本發明所採用的系統模型圖；
圖2為已有方法與本發明所提碼字構造方法的複雜度對比圖；
圖3為已有方法與本發明的竊聽者eve截獲概率隨原始數據包數目k的變化曲線圖；
圖4a為原圖；
圖4b為合法接收端bob恢復出的圖像；
圖4c為竊聽者eve竊取的圖像。
具體實施方式
下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述：
參考圖1，本發明所述的物聯網中基於信道反饋的噴泉編碼抗竊聽傳輸方法包括以下步驟：
1)設通信系統包含一個發送端alice及一個合法接收端bob，且通信系統的無線信道採用瑞利衰落信道模型，發送端alice將源文件分為k個原始數據包，再選擇其中任意一個原始數據包作為第一個編碼包，然後再發送選擇出來的第一個編碼包；
2)在第k個時隙，發送端alice通過合法接收端bob反饋回的1bit信息確定合法接收端bob是否成功接收該時隙發送的編碼包，當合法接收端bob成功接收該當前時隙發送的編碼包時，則依據重要性及信道質量選擇一個合法接收端bob未解碼的原始數據包，然後對選擇出來的未解碼的原始數據包進行編碼，再將編碼的結果作為下一時隙發送的編碼包；當合法接收端bob沒有成功接收當前時隙發送的編碼包時，則發送端alice在下一時隙發送的編碼包與當前時隙沒有成功接收的編碼包相同，同時，發送端alice根據合法接收端bob反饋的1bit信息構建合法接收端bob已解碼的原始數據包集合d及合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u；
3)判斷合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u是否為空集，當合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u不為空集時，則轉至步驟2)，當合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u為空集時，則合法接收端bob已經接收到所有的原始數據包，合法接收端bob根據接收到所有原始數據包恢復出源文件，完成基於信道反饋的抗竊聽噴泉碼構造。
步驟2)中對選擇出來的未解碼的原始數據包進行編碼，再將編碼的結果作為下一時隙發送的編碼包的具體操作為：
當合法接收端bob收到發送端alice在第時隙發送的編碼包ti時，則發送端alice在i+1時隙發送的編碼包ti+1為：
其中，b為合法接收端bob解碼出的所有原始數據包的異或運算結果，sx+1∈u，sx+1為發送端alice依據重要性及信道質量選擇出來的一個合法接收端bob未解碼的原始數據包。
在每個時隙，發送端alice對合法接收端bob未解碼的原始數據包集合u內所有未解碼的原始數據包按照重要因子imx從大到小進行排序，其中，u＝{u1，u2，uc…，ul}，uc為第c個合法接收端bob未解碼的原始數據包，當c越小，則uc越重要。
在已經解碼出的原始數據包集合d之後，將合法接收端bob收到原始數據包tx與未收到原始數據包tx分別恢復出的圖像對應點像素值差值的絕對值之和作為該原始數據包tx的重要因子imx。
依據重要性及信道質量選擇一個合法接收端bob未解碼的原始數據包，其中，信道質量越好，則所對應的原始數據包越重要，即該原始數據包被選擇出來的概率越大。
當指標c越大，則原始數據包uc被選擇出來的概率越大，其中，
其中，l為合法接收端bob未解碼的原始數據包數目，z0為預設的信道質量好壞的分界點，z為發送端alice與合法接收端bob之間的實時信道增益，z＝|hab|2且d為發送端alice與合法接收端bob之間的距離，α為發送端alice與合法接收端bob之間的路徑損耗，α為大於1的常數。
參考圖2，圖2的橫坐標表示仿真次數，縱坐標表示仿真相應次數所運行的時間，由圖2可知，在仿真條件相同的情況下，本發明具有更低的運行複雜度，並且比已有方法的複雜度提升約19％左右(n＝100次時，t1＝100.384s,t2＝81.253s)，其原因在於本發明在編碼構造時對編碼包的優化。
參考圖3，從仿真結果可以發現，本發明和現有的方案能夠達到的截獲率相同，都是隨著k的增大，竊聽者eve的截獲概率呈現近指數衰減規律。當k較大時，竊聽者eve能夠達到一個非常低的截獲概率。例如，圖4a、圖4b及圖4c在做實際圖像(220x220的灰度圖)傳輸仿真時k＝(220x220)/10＝4840，此時竊聽者eve能從截獲的編碼包中恢復出極少的原始數據包。
從圖4a、圖4b及圖4c可以看出,採用本發明能夠實現在合法用戶處無失真地恢復出原始圖像的同時，竊聽者eve從竊聽到的數據包恢復出的圖像失真巨大，從而達到安全傳輸的目的。