一种基于喷泉码的安全传输离散功率控制方法与流程

本发明属于无线通信
技术领域：
，具体涉及一种基于喷泉码的安全传输离散功率控制方法，该控制方法利用喷泉码技术降低无线数据传输过程中窃听用户的截获概率并且提高发送端的传输效率。
背景技术：
：：与电缆通信系统相比，无线通信网络的开放性使得其安全传输问题更加棘手，这是因为窃听者易于窃听到无线设备端的机密数据。针对无线网络中窃听者存在的潜在安全风险性，现有的高层网络协议层采用加密技术确保数据不被窃听，然而加密技术的实现是基于窃听者计算能力受限的假设，而当窃听用户端的计算能力不受限，则安全性无法保障。此外，密钥管理机制对于动态无线网络来说也是难于实现的。与此同时，喷泉码作为一种备受关注的新兴可靠传输技术，其采用随机编码的方式，源源不断产生新的喷泉码符号，每个新喷泉码符号对接收端而言都携带一定有用信息，用户接收到足够喷泉码符号并正确收译码后，发送端才停止编码，于是相对于编码前就确定码率的前向纠错码来说，喷泉码的码率是不固定的，喷泉码又称无速率码。因此在无线传输的发送端引入喷泉码后，通过利用喷泉码编码过程中的两个可控参数(度及所选信息包的序号)，设计有利于提升合法用户译码速率的校验包编码方案，从而保证合法用户端先于窃听端解码成功。传统的喷泉码发送方案，在合法用户比窃听用的状态差的时候，采用了相关的功率控制方案，确保了数据传输的安全性；但是在合法用户比窃听用户状态好的时候，没有采取任何措施来提高发送端传输速率。技术实现要素：：本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种基于喷泉码的安全传输离散功率控制方法，该方法可以有效地降低窃听用户的截获概率并且提高发送端的传输效率。为达到上述目的，本发明采用如下技术方案来实现的：一种基于喷泉码的安全传输离散功率控制方法，在使用喷泉码进行无线数据传输之前，发送端首先要将待传的私密文件划分为相关联的k个喷泉码数据包s1,s2,...,sk，且每个喷泉码的包长为L，该方法包括以下步骤：1)每个时隙发送端采用喷泉码编码方法完成一个喷泉包的编码过程，并根据瞬时信噪比γ得到在不同的发送功率μ下的最大的速率R(μ|γ)；2)发送端根据在不同的信噪比下的最大速率R(μ|γ)计算功率受限时每个时隙中单位功率增加时的速率最佳变化率λ*以及每个时隙中喷泉码最大的发送个数ω；3)系统根据用户反馈的瞬时信噪比γ，计算在当前的瞬时信噪比γ时发送不同数目喷泉码数据包所对应功率的次梯度区间，并判断最佳速率变化率λ*是属于发送哪一个数目喷泉码功率的次梯度区间，发送端根据λ*所属的区间判断发送喷泉码数据包的个数i，计算发送i个喷泉包需要分配的功率μ(i)。本发明进一步的改进在于，步骤1)中得到不同发送功率μ下最大速率R(μ|γ)的具体步骤如下：1-1)发送端首先根据用户被分配的带宽B和喷泉码的包长L，得到在指定瞬时信噪比γ下发送不同数目的喷泉码j时发送端需要的功率：μ(j)=1γ(2jLBT-1)]]>此时j表示的是发送的喷泉码数据包的个数，j的取值范围是整个自然数；1-2)在指定瞬时信噪比γ下，不同发送功率的得到的速率是(iL,μ(j))的凸组合，为了最大化发送功率，取在相同发送功率情况下最大的速率R(μ|γ)，得到：R(μ|γ)=Lγ2jLBT(2LBT-1)μ,μ(j)≤μ<μ(j+1)]]>此时每个时隙中发送喷泉包的最大数目是没有限制的，范围为整个自然数。本发明进一步的改进在于，步骤2)中最佳速率变化率λ*和每个时隙中发送的最大喷泉码个数ω确定的具体步骤如下：2-1)建立最大化用户均值速率的Lagrangian公式：L(μ,λ)=∫-∞+∞R(μ|γ)p(γ)dγ-λ∫-∞+∞μ(γ)p(γ)dγ]]>在最大化传输速率而建立Lagrangian优化公式时，功率满足限制条件：E[μ]=∫-∞+∞μ(γ)p(γ)dγ≤1]]>即归一化的功率要小于等于平均功率；2-2)根据Lagrangian进行数值计算求解得到，增加单位功率时，最佳的速率变化率λ*；2-3)根据最大速率变化率λ*，得到发送端发送喷泉码数据包达到最大信道容量时，每个时隙中喷泉码最大的发送个数ω。本发明进一步的改进在于，步骤3)确定发送端发送喷泉码数据包个数操作的具体步骤如下：3-1)根据速率公式R(μ)得到在不同的功率μ时的次梯度区间：∂R(μ)={Lγ2jLBT(2LBT-1)-λ}μ(j)<μ<μ(j+1)[Lγ2jLBT(2LBT-1)-λ,Lγ2(j-1)LBT(2LBT-1)-λ]μ=μ(j),j=1,2,...ω-1(-∞,Lγ2(j-1)LBT(2LBT-1)-λ]μ=μ(ω)[Lγ2LBT-1-λ,+∞)μ=μ(0)]]>其中，j表示在没有进行功率控制之前指定的信噪比γ下可能发送的喷泉包的个数，L表示的是喷泉包的包长，B表示的是用户被分配的带宽，T是平坦衰落信道的时隙长度，ω表示在指定包长L时达到最大信道容量时最大发送喷泉包个数的最小值，发送端在发送不同的喷泉包的数目的时候发送端会分配相应的功率μ，在不同的功率下速率R(μ)都有相应的次梯度区间3-2)判断λ*属于发送多少数目的喷泉码的个数j次梯度区间内，根据λ*所属的次梯度区间，发送端决定发送喷泉码数据包的个数i，其中i表示的是经过功率控制之后发送端决定发送的喷泉包的个数，同时给发送端分配相应的功率：μ(i)=1γ(2iLBT-1)]]>3-3)如果发送端接收到Bob数据解码完成反馈，则返回到步骤1)；否则文件没有被Bob解码完成，返回到3-2)。与传统方案相比，本发明在合法用户比窃听用户状态好的时候，采用功率控制的方法，不同于传统方案仅发送一个喷泉包。当合法用户的状态信息很好的时候，计算合法用户当前的信噪γ下次梯度区间然后判断最佳发送速率λ*落在哪一个次梯度区间，以此决定发送喷泉包的个数i，同时发送端根据喷泉包的个数i计算发送端被分配的功率μ(i)。本发明的在每个时隙中发送的喷泉包的个数是大于等于1的，因此传统方案的速率是本发明速率的下限，即本发明的最小速率就是传统方案的速率。当合法用户和窃听用户都能接收一个喷泉包，但是合法用户的状态信息可以确保合法用户能收到至少2个喷泉包的时候，传统方案中发送端只发送1个喷泉包，合法用户和窃听用户都收到该喷泉包。而本发明中，合法用户可以收到2个喷泉包，窃听用户只能收到1个喷泉包，合法用户在窃听用户之前收到解码需要的喷泉包的个数，合法用户可以安全接收文件。本发明充分利用合法用户的状态信息来决定发送端要发送的喷泉码的个数。在提高发送端的速率的情况下进一步提高了系统的安全性。目前现有技术没有涉及到这方面的技术。附图说明：图1为本发明的系统模型图；图2为本发明的实现机理图(操作流程图)；图3为本发明方法不同包长下单个时隙吞吐量于K值变化示意图；图4为本发明不同包长L下单个时隙吞吐量对比图；图5为本发明方法L不同是截获概率对比图；图6为本发明方法文件被分成的喷泉包个数的截获概率对比图；图7为本发明方法Eve位置不同时截获概率对比图。具体实施方式：下面结合附图和具体实施实例对本发明做进一步的详细说明。喷泉码使用的是一种线性编译码方式，可以让发送端源源不断产生编码符号，直到收到用户正确接收的反馈才停止编码发送，是一种增加传输可靠性的信道编码。当无线传输的发送端使用喷泉码编码后，发送端收到合法用户正确接收文件的的反馈才停止发送喷泉码数据包。本发明的核心思想是在无线数据传输过程中发送端使用喷泉码编码方法对k个信息包进行编码，并以合法接收端反馈的瞬时信噪比作为功率控制的依据设计有利于提升发送速率的方案，从而保证合法用户端先于窃听端解码成功。与传统喷泉码的编码方式相比，本发明方案能够根据合法的瞬时信噪比，对发送端在单个时隙中发送喷泉码的个数做实时地调整，可以显著提高无线数据传输过程中接收端接收的速率，与此同时降低了窃听用户的截获概率。参考图1，本发明的系统模型图具体描述如下：考虑一个包含三个节点的无线传输系统，其中一个源节点Alice、一个目的节点Bob以及窃听者Eve。Alice企图将私密数据文件发给Bob，与此同时Eve可以窃听所发送的文件信息。在无线数据传输之前，Alice首先将待发送私密文件划分为彼此相关联包长为L的k个数据包，然后Alice使用喷泉码编码方法对k个信息包进行编码。Bob和Eve都企图得到足够数目的喷泉码数据包以恢复原始私密数据文件。当Bob端收到足够的喷泉包完成k个信息包的解码，则需向Alice端发送反馈信息告知其终止编码发送。这样的话，当Alice端停止发送喷泉包时，如果Eve端未完成k个信息包的解码，则该私密数据文件安全传输得以保障。图1中Alice→Bob链路为合法信道和Alice→Eve链路为窃听信道，这两条无线信道均被建模为块平坦瑞利衰落信道，即每个包的发送时隙内信道系数保持恒定，不同时隙之间独立变化。节点i和节点j之间的信道系数hij是一个零均值、方差为的循环对称复高斯随机变量，其中dij表示节点i和节点j之间的距离，α为路损系数。接收端的加性高斯白噪声n的方差为N0。若Alice端发送校验包的功率为则接收端j的接收SNR可以表示为γAj＝ρ|hAj|2，而表示系统SNR。参考图2，本发明的实现机理图(操作流程图)具体步骤如下：需要说明的是：在无线数据传输之前，发送端首先将待发送私密文件划分为彼此相关联的k个信息包(s1,s2,...,sk)，且每个喷泉码的包长为L，接下来每个时隙的传输包含以下步骤：1)每个时隙发送端采用新型喷泉码编码方法完成一个喷泉包的编码过程，并根据瞬时信噪比γ得到在不同的发送功率μ下得到的最大的速率R(μ|γ)；2)发送端根据在不同的信噪比下的最大速率R(μ|γ)计算在功率受限条件下每个时隙中单位功率增加时速率的最佳变化率λ*和每个时隙中最大的发送个数ω；3)系统根据用户反馈的瞬时信噪比γ，计算在当前的瞬时信噪比γ时发送不同数目喷泉码数据包时对应功率的次梯度区间，并判断最佳速率变化率λ*是属于发送哪一个数目喷泉码功率的次梯度区间，发送端根据λ*所属的区间判断发送喷泉码数据包的个数，以及分配相应的功率。步骤1)中得到不同发送功率下最大速率的具体步骤如下：1-1)发送端首先根据用户被分配的带宽B和喷泉码的包长L，在指定瞬时信噪比γ下得到发送不同数目的喷泉码j时发送端需要的功率：μ(j)=1γ(2jLBT-1),j=0,1,2,...]]>此时j表示的是发送的喷泉码数据包的个数，j的取值范围是整个自然数。1-2)在指定瞬时信噪比γ下，不同发送功率的得到的速率是(iL,μ(j))的凸组合。为了最大化发送功率，取在相同发送功率情况下最大的速率R(μ|γ)，得到：R(μ|γ)=Lγ2jLBT(2LBT-1)μ,μ(j)≤μ<μ(j+1),j=0,1,2,...]]>此时每个时隙中发送喷泉包的最大数目是没有限制的。步骤2)中最佳速率变化率λ*和每个时隙中发送的最大喷泉码个数i确定的具体步骤如下：2-1)建立最大化用户均值速率的Lagrangian公式：L(μ,λ)=∫-∞+∞R(μ|γ)p(γ)dγ-λ∫-∞+∞μ(γ)p(γ)dγ]]>在最大化传输速率而建立时，功率需要满足限制条件：E[μ]=∫-∞+∞μ(γ)p(γ)dγ≤1]]>即归一化的功率要小于等于平均功率。2-2)根据Lagrangian进行数值计算求解得到，增加单位功率时，最佳的速率变化率λ*。2-3)根据最大速率变化率λ*，发送端发送喷泉码数据包达到最大信道容量时，每个时隙中发送的最大喷泉码数据包的个数的最小值ω。步骤2)中的喷泉码编码方法的核心在于：根据用户被分配的带宽B和喷泉包包长L得到了单位功率下最佳的速率增益λ*和每个时隙中喷泉码数据包发送个数的上限ω。步骤3)确定发送端发送喷泉码数据包个数操作的具体步骤如下：3-1)根据速率公式得到在不同的功率时的次梯度区间：∂R(μ)={Lγ2jLBT(2LBT-1)-λ}μ(j)<μ<μ(j+1)[Lγ2jLBT(2LBT-1)-λ,Lγ2(j-1)LBT(2LBT-1)-λ]μ=μ(j),j=1,2,...ω-1(-∞,Lγ2(j-1)LBT(2LBT-1)-λ]μ=μ(ω)[Lγ2LBT-1-λ,+∞)μ=μ(0)]]>这里的j表示的在没有进行功率控制之前指定的信噪比γ下可能发送的喷泉包的个数，L表示的是喷泉包的包长，B表示的是用户被分配的带宽，T是平坦衰落信道的时隙长度，ω表示在指定包长L时达到最大信道容量时最大发送喷泉包个数的最小值，发送端在发送不同的喷泉包的数目的时候发送端会分配相应的功率μ，在不同的功率下速率R(μ)都有相应的次梯度区间3-2)判断λ*属于发送多少数目的喷泉码的个数j微分区间内。根据所属的次梯度区间，发送端决定发送喷泉码数据包的个数i，同时给发送端分配相应的功率：μ(i)=1γ(2iLBT-1)]]>3-3)如果发送端接收到Bob数据解码完成反馈，则返回到步骤1；否则文件没有被Bob解码完成，返回到3-2)。步骤3)中的不同信噪比下发送喷泉码个数方法的核心在于：根据用户的瞬时信噪比γ来决定发送端在当前时隙中发送喷泉码的个数i并分配相应的功率μ(i)，在合法用户Bob比窃听者Eve信道条件下，发送端采用本发明功率控制方法，只要发送文件的期间内任意一个中Bob接收到的喷泉包的数目比Eve多，那么Bob就比Eve先将文件解码出来，Eve端不能将私密文件解码出来，这样使得在最大化速率的同时充分保证了文件的安全性。综上所述，本发明的主要实现机理是在无线数据传输过程中Alice使用喷泉码编码方法对k个信息包进行编码，并以Bob反馈的已解码信息包序号集合作为编码的动力，设计有利于提升Bob端译码速率的校验包编码方案，从而保证Bob端先于Eve端解码成功。该编码方案的核心是将已解码集合D中所有元素与未解码集合中某一个元素进行异或，根据窃听信道的衰落特性Eve端只要有D中的一个元素未成功解码，则Eve必无法解出余下信息包，即此时Eve端窃听失败。图3仿真中，随着K值不断地增大，合法用户在时隙T中接收到的数据量也不断地增大。与此同时是，Bob端的接收的数据量并没有随着K的增加无限地增大，而是趋近于一个稳定值。在仿真中，每个包长L下都有一个达到最大速率的K的最小值ω，即每个时隙中发送喷泉码数据包的最大值没有必要超过这个值，当Bob时隙最大发送数目超过这个值对速率的提高基本上没有作用。并可在ω值和包长L的乘积是一个定值Γ，ω的值是大于乘积除以包长L的最小整数。图4的仿真中，Alice采用不同的包长L发送喷泉码数据包，随着L的增大，Bob在单位时隙内接收到的数据量在不断地减少。当包长L的值大于Γ时，K的值就一直为1，此时单个时隙中Bob能收到的数据量在下降，因为Bob瞬时信道容量要大于L时才能发送一个数据包，这回导致Bob很大的中断概率。图5中的仿真中，Alice采用不同包长进行发送时Eve的截获概率。仿真中，文件被分成k的喷泉码数据包是，包长L越长，截获概率越低。同时在相同包长L中，一个文件被分成的喷泉码数据包的个数越多，截获概率越小。图6中随着一个文件被分成喷泉包个数的增加，本发明所提出的方案在窃听者截获概率方面远优于传统基准方案；截获概率随喷泉包个数的增加而降低。图7中，随着Eve端位置的增加，本发明功率控制方案的截获概率明显低于传统方案的截获概率。当Eve的位置到接近1.7时，本发明功率控制的方案使得Eve端的截获概率接近于0；当Eve端的位置接近1.0的时候，本发明的方案远优于传统方案，能保持很好的安全性。综上所述，本发明方法在窃听者截获概率、Eve端解码成功率、Alice端传输效率三个方面均优于传统基准方案。当前第1页1 2 3