本發(fā)明屬于無線通信技術(shù)領域，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)：

過去幾年，隨著無線通信技術(shù)的飛速發(fā)展及其廣泛應用，無線網(wǎng)絡安全問題也受到了越來越多的關(guān)注。

目前，傳統(tǒng)的保障安全傳輸?shù)闹髁鞣椒ㄊ峭ㄟ^加密實現(xiàn)的，但是，未來眾多的無線業(yè)務對安全等級的需求千變?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線通信技術(shù)將無線信道中的各種衰落、噪聲以及干擾因素轉(zhuǎn)變?yōu)閷垢`聽的工具，從而實現(xiàn)物理層的安全傳輸。并且從應用的角度來看，還具有易實現(xiàn)、易維護等優(yōu)點。

噴泉編碼憑借其特有優(yōu)勢在數(shù)據(jù)廣播以及存儲等方面應用較多，但卻很少將它運用到網(wǎng)絡安全問題上。根據(jù)噴泉碼的基本特性將其應用到網(wǎng)絡安全上是可行的，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浴Ｒ虼?，針對傳統(tǒng)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?shù)目尚行牛芯恳环N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，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)設通信系統(tǒng)包含一個發(fā)送端alice及一個合法接收端bob，且通信系統(tǒng)的無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個原始數(shù)據(jù)包，再選擇其中任意一個原始數(shù)據(jù)包作為第一個編碼包，然后再發(fā)送選擇出來的第一個編碼包；

2)在第k個時隙，發(fā)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(fā)送的編碼包，當合法接收端bob成功接收該當前時隙發(fā)送的編碼包時，則依據(jù)重要性及信道質(zhì)量選擇一個合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，然后對選擇出來的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時隙發(fā)送的編碼包；當合法接收端bob沒有成功接收當前時隙發(fā)送的編碼包時，則發(fā)送端alice在下一時隙發(fā)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(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，則轉(zhuǎn)至步驟2)，當合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u為空集時，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)中對選擇出來的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時隙發(fā)送的編碼包的具體操作為：

當合法接收端bob收到發(fā)送端alice在第時隙發(fā)送的編碼包ti時，則發(fā)送端alice在i+1時隙發(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)量選擇出來的一個合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包。

在每個時隙，發(fā)送端alice對合法接收端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(shù)據(jù)包，當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分別恢復出的圖像對應點像素值差值的絕對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，則所對應的原始數(shù)據(jù)包越重要，即該原始數(shù)據(jù)包被選擇出來的概率越大。

當指標c越大，則原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包數(shù)目，z0為預設的信道質(zhì)量好壞的分界點，z為發(fā)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(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，在第k個時隙，發(fā)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(fā)送的編碼包，當合法接收端bob成功接收該當前時隙發(fā)送的編碼包時，則選擇一個合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，然后對選擇出來的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時隙發(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，當合法接收端bob沒有成功接收當前時隙發(fā)送的編碼包時，則發(fā)送端alice在下一時隙發(fā)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后，在該時隙發(fā)送端alice將要發(fā)送的編碼包由一個合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包異或前一時隙合法接收端bob解碼處的所有原始數(shù)據(jù)包得到，因此竊聽者eve在竊聽過程中只要有一個編碼包沒有接收成功，那么它將無法解碼出剩余的未解碼的原始數(shù)據(jù)包，從而導致其竊聽失敗。

附圖說明

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)造方法的復雜度對比圖；

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(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步詳細描述：

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)設通信系統(tǒng)包含一個發(fā)送端alice及一個合法接收端bob，且通信系統(tǒng)的無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個原始數(shù)據(jù)包，再選擇其中任意一個原始數(shù)據(jù)包作為第一個編碼包，然后再發(fā)送選擇出來的第一個編碼包；

2)在第k個時隙，發(fā)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(fā)送的編碼包，當合法接收端bob成功接收該當前時隙發(fā)送的編碼包時，則依據(jù)重要性及信道質(zhì)量選擇一個合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包，然后對選擇出來的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時隙發(fā)送的編碼包；當合法接收端bob沒有成功接收當前時隙發(fā)送的編碼包時，則發(fā)送端alice在下一時隙發(fā)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(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，則轉(zhuǎn)至步驟2)，當合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包集合u為空集時，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)中對選擇出來的未解碼的原始數(shù)據(jù)包進行編碼，再將編碼的結(jié)果作為下一時隙發(fā)送的編碼包的具體操作為：

當合法接收端bob收到發(fā)送端alice在第時隙發(fā)送的編碼包ti時，則發(fā)送端alice在i+1時隙發(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)量選擇出來的一個合法接收端bob未解碼的原始數(shù)據(jù)包。

在每個時隙，發(fā)送端alice對合法接收端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(shù)據(jù)包，當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分別恢復出的圖像對應點像素值差值的絕對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，則所對應的原始數(shù)據(jù)包越重要，即該原始數(shù)據(jù)包被選擇出來的概率越大。

當指標c越大，則原始數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)包數(shù)目，z0為預設的信道質(zhì)量好壞的分界點，z為發(fā)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(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的橫坐標表示仿真次數(shù)，縱坐標表示仿真相應次數(shù)所運行的時間，由圖2可知，在仿真條件相同的情況下，本發(fā)明具有更低的運行復雜度，并且比已有方法的復雜度提升約19％左右(n＝100次時，t1＝100.384s,t2＝81.253s)，其原因在于本發(fā)明在編碼構(gòu)造時對編碼包的優(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(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)在合法用戶處無失真地恢復出原始圖像的同時，竊聽者eve從竊聽到的數(shù)據(jù)包恢復出的圖像失真巨大，從而達到安全傳輸?shù)哪康摹?/p>