CN109412750A - 一种多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法，包括：1)合法发送机Alice将待发送的源文件分成N个源数据包；2)合法发送机Alice将各源数据包基于业务特性进行重要性排序，同时将信道质量由好到差分为三个信道质量区间；3)合法发送机Alice利用合法接收机Bob反馈回的已经接收到的源数据包标记，再根据待发送的源数据包的重要性及当前信道信息动态调整喷泉编码的结构，然后将编码包t_n发送给合法接收机Bob；4)合法接收机Bob对接收到的编码包进行解码，得源数据包，然后将源数据包的标记反馈给合法发送机Alice，该方法能够实现基于喷泉吗的多媒体安全传输。

Description

一种多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法

技术领域

本发明属于无线通信技术领域，涉及一种多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法。

背景技术

物理层安全由于其能利用无线信道特性实现安全传输且不依赖于秘钥加密，引起了国内外研究人员的广泛关注。但是以私密容量最大化和私密中断概率最小化为目标的传统的物理层安全技术具有传输速率低，解码时延高等局限性，这与多媒体这一宽带业务对高速传输和时延约束的要求是不相匹配的。

喷泉码具有这样一种特性：接收端必须累积到足够多的编码包才能恢复原文件。也就是说只要合法用户能先于窃听方累积到足够的编码包，就能避免信息泄露，实现安全通信。而且喷泉码实现安全传输时，***的传输速率只受合法链路的香农容量限制，解码时延大大降低。同时，利用反馈信道得到合法链路的信道质量自适应的调整编码包的产生，使得接收端在时延约束条件下获得更为重要的信息，因此，研究基于喷泉码的多媒体安全传输技术具有重要意义。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法，该方法能够实现基于喷泉吗的多媒体安全传输。

为达到上述目的，本发明所述的多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法包括以下步骤：

1)合法发送机Alice将待发送的源文件分成N个源数据包；

2)合法发送机Alice将各源数据包基于业务特性进行重要性排序，其中，按照重要性程度以递减的方式将各源数据包分为三类type-Ⅰ、type-Ⅱ及type-Ⅲ，同时将信道质量由好到差分为三个信道质量区间，其中，信道质量由信道特性系数h的模值确定，且|h|属于所述三个信道质量区间的概率之比等于三类源数据包的数据量之比；

3)合法发送机Alice利用合法接收机Bob反馈回的已经接收到的源数据包标记，再根据待发送的源数据包的重要性及当前信道信息动态调整喷泉编码的结构，得编码包t_n，然后将编码包t_n发送给合法接收机Bob；

4)合法接收机Bob对接收到的编码包进行解码，得源数据包，然后将源数据包的标记反馈给合法发送机Alice。

步骤3)中，当|h|>Th₁时，则有

其中，sk1_m表示最近一次解出来的type-Ⅰ类源数据包，sk1_n表示从还未解出来的type-Ⅰ类源数据包里随机挑选出的一个源数据包；

当Th₁>|h|≥Th₂时，则有

其中，sk2_m代表最近一次解出来的type-Ⅱ类源数据包，sk2_n表示从还未解出来的type-Ⅱ类源数据包里随机挑选出的一个源数据包，∑sk1_i通过从已经解出来的type-Ⅰ类源数据包随机挑选的部分进行异或得到；

当|h|<Th₂时，则不进行编码包的发送；

当任一类源数据包发送完毕，还没有达到时延门限，且还有源数据包没有发送时，则转至步骤2)。

对于多媒体业务，对视频的每一帧进行划分，得一系列静态图像，将各幅静态图像看做一个源文件，将静态图像分割成大小相同的N个分割图，即N个源数据包s₁,s₂…s_k，对该N个源数据包s₁,s₂…s_k进行分类的具体操作为：

11)计算每个分割图的显著性平均值其中，S_i表示分割图中每一个像素点的显著性值，l表示每一个像素块所含的像素点数；

12)利用边缘检测求取二值图，再计算分割区域所含的边缘信息量S_j表示二值图中每一个像素点的值；

13)计算各源数据包的重要性得分S_p，其中，S_p越大，则该源数据包的重要性程度越高。

本发明具有以下有益效果：

本发明所述的多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法在具体操作时，根据待发送源数据包的重要性及当前信道信息动态调整喷泉码结构进行待发送源数据包的编码，不完全依赖于合法链路的信道质量一定优于窃听链路，在合法链路信道质量劣于窃听链路信道质量时，仍然具有一定的抗窃听性能，同时当合法链路的信道质量优于窃听链路时，抗窃听的有效性得到大幅的提升，从而有效的提升信息传输的安全性。另外，本发明基于喷泉码结构进行待发送源数据包的编码，以提高***的信息传输速率，且该信息传输速率只受合法链路的香农容量限制，有效的降低解码时延，满足多媒体这一宽带业务高速传输要求及严格的时延限制要求。另外，本发明根据当前信道质量自适应的选择待发送的源数据包，在扩大合法信道优势的同时，保证合法接收机Bob的视频接受质量，使得合法接收机Bob在有限时延内尽可能的获取更重要的信息。

附图说明

图1为本发明的***模型图；

图2为截获概率随SNR的变化曲线图；

图3为QoS违反概率随源数据包个数的变化曲线图；

图4为MSE随着平均信噪比变化的关系曲线图；

图5为PSNR随着平均信噪比的变化关系曲线图；

图6为本发明的实际视频传输效果图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

本发明中，数据传输***包括合法发送机Alice及合法接收机Bob，其中，合法发送机Alice及合法接收机Bob均配置单根天线，且***工作于时分双工模式，合法发送机Alice按帧发送数据，每帧数据的传输包含三个阶段：第一阶段，合法接收机Bob通过反馈信道向合法发送机Alice反馈当前信道质量；第二阶段，合法发送机Alice根据信道质量及当前合法接收机Bob已经接收到的源数据包，自适应的选择需要参与编码的源数据包进行编码，得编码包，再将得到的数据包发送给合法接收机Bob；第三阶段，合法接收机Bob将解出来的源数据包的标记反馈给合法发送机Alice，具体包括以下步骤：

1)合法发送机Alice将待发送的源文件分成N个源数据包；

2)合法发送机Alice将各源数据包基于业务特性进行重要性排序，其中，按照重要性程度以递减的方式将各源数据包分为三类type-Ⅰ、type-Ⅱ及type-Ⅲ，同时将信道质量由好到差分为三个信道质量区间，其中，信道质量由信道特性系数h的模值确定，且|h|属于所述三个信道质量区间的概率之比等于三类源数据包的数据量之比；

其中，对于多媒体业务，对视频的每一帧进行划分，得一系列静态图像，将各幅静态图像看做一个源文件，将静态图像分割成大小相同的N个分割图，即N个源数据包s₁,s₂…s_k，对该N个源数据包s₁,s₂…s_k进行分类的具体操作为：

11)计算每个分割图的显著性平均值其中，S_i表示分割图中每一个像素点的显著性值，l表示每一个像素块所含的像素点数；

12)利用FT算法进行边缘检测求取二值图，再计算分割区域所含的边缘信息量S_j表示二值图中每一个像素点的值；

13)计算各源数据包的重要性得分S_p，其中，S_p越大，则该源数据包的重要性程度越高。

3)合法发送机Alice根据待传输数据包的重要性及当前信道信息动态调整喷泉编码的结构进行待发送源数据包的编码，得编码包t_n，然后将编码包t_n发送给合法接收机Bob；

4)合法接收机Bob对接收到的编码包进行解码，得源数据包，然后将源数据包的标记反馈给合法发送机Alice。

步骤3)中，当|h|>Th₁时，则有

其中，sk1_m表示最近一次解出来的type-Ⅰ类源数据包，sk1_n表示从还未解出来的type-Ⅰ类源数据包里随机挑选出的一个源数据包；

当Th₁>|h|≥Th₂时，则有

其中，sk2_m代表最近一次解出来的type-Ⅱ类源数据包，sk2_n表示从还未解出来的type-Ⅱ类源数据包里随机挑选出的一个源数据包，∑sk1_i通过从已经解出来的type-Ⅰ类源数据包随机挑选的部分进行异或得到；

当|h|<Th₂时，则不进行编码包的发送；

当任一类源数据包发送完毕，还没有达到时延门限，且还有源数据包没有发送时，则转至步骤2)。

步骤2)中将信道质量由好到差分为三个信道质量区间的具体操作为：设良好的信道质量区间所占比例为P₁，一般的信道质量区间所占比例为P₂，Th₁及Th₂表示信道增益阈值，其中，Th₁＝(1/λln(1-P₁)^-1)^1/2，Th₂＝(1/λln(1-P₁-P₂)^-1)^1/2，当|h|>Th₁时信道质量为良好；当Th₁≥|h|>Th₂时，信道质量为一般；当|h|≤Th₂时，信道质量为差。

步骤4)中，合法接收机Bob利用最大似然准则进行解调，然后利用BP迭代译码算法解得源数据包。

仿真实验

为方便描述，首先介绍几个定义，将截获概率1定义为当合法接收机Bob解出所有的K个源数据包的情况下，窃听者Eve也接收到整个文件的概率；将截获概率2定义为当合法接收机Bob解出所有的K个源数据包的情况下，窃听者Eve解出了K-1个源数据包的概率，QoS违反概率的定义为：

其中，T_req表示允许传输编码包数，T_tot,B及T_tot,E分别代表合法接收机及窃听者恢复所有源数据包所需要的编码包数量，公式中的第一项定义了时延违反概率，第二项计算了窃听者Eve的信息截获概率。

本发明的有效性主要依赖于两条链路信道的差异，通过合法接收机Bob的反馈，依据合法链路的信道质量来调整编码的策略，扩大合法链路的信道质量优势，因此在信道条件比较差，即SNR较低时，依靠调整编码结构来获取的增益不大，截获概率相对较高。而随着SNR升高，本发明的优势开始发挥，截获概率会有一定下降；当SNR升高到一定程度时，本发明对合法用户信道质量的优化增益相对信道本身的质量来说不大，抗窃听的有效性出现一定恶化，截获概率再次升高。但是总体来说，截获概率都较低，抗窃听性能较好，如图2所示，截获概率随着SNR的增大，先降低后升高。

对于QoS违反概率来说，当SNR极低时，时延违反概率极大，QoS违反概率就越大；随着SNR升高，时延违反的概率降低，并且本发明优势发挥，使得信息截获概率减小，所以QoS违反概率降低。当SNR继续增加时，由于良好的信道条件使得合法接收机Bob的时延违反概率很低且基本保持不变，且由于本发明的优势有所下降，信息截获概率升高，QoS违反概率提高，如图3所示，QoS违反概率随着SNR的增大先快速降低后有所升高。

图4及图5展示了本发明在多媒体应用上抗窃听性能的适用，参考图6a、图6b及图6c，合法接收机Bob的视频恢复质量较好，虽然也存在局部的失真，但重要区域的像素能够很好地恢复，不影响主观感受；而窃听者Eve的恢复视频则存在大量马赛克，难于理解视频内容，充分表明了本发明对于多媒体传输的适用性。

Claims (3)

1.一种多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)合法发送机Alice将待发送的源文件分成N个源数据包；

2)合法发送机Alice将各源数据包基于业务特性进行重要性排序，其中，按照重要性程度以递减的方式将各源数据包分为三类type-Ⅰ、type-Ⅱ及type-Ⅲ，同时将信道质量由好到差分为三个信道质量区间，其中，信道质量由信道特性系数h的模值确定，且|h|属于所述三个信道质量区间的概率之比等于三类源数据包的数据量之比；

3)合法发送机Alice利用合法接收机Bob反馈回的已经接收到的源数据包的标记，再根据待发送源数据包的重要性及当前信道信息动态调整喷泉编码的结构，得编码包t_n，然后将编码包t_n发送给合法接收机Bob；

4)合法接收机Bob对接收到的编码包进行解码，得源数据包，然后将源数据包的标记反馈给合法发送机Alice。

2.根据权利要求1所述的多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法，其特征在于，步骤3)中，当|h|>Th₁时，则有

其中，sk1_m表示最近一次解出来的type-Ⅰ类源数据包，sk1_n表示从还未解出来的type-Ⅰ类源数据包里随机挑选出的一个源数据包；

当Th₁>|h|≥Th₂时，则有

其中，sk2_m代表最近一次解出来的type-Ⅱ类源数据包，sk2_n表示从还未解出来的type-Ⅱ类源数据包里随机挑选出的一个源数据包，∑sk1_i通过从已经解出来的type-Ⅰ类源数据包随机挑选的部分进行异或得到；

当|h|<Th₂时，则不进行编码包的发送；

当任一类源数据包发送完毕，还没有达到时延门限，且还有源数据包没有发送时，则转至步骤2)。

3.根据权利要求1所述的多媒体通信中基于喷泉码的抗窃听传输方法，其特征在于，对于多媒体业务，对视频的每一帧进行划分，得一系列静态图像，将各幅静态图像看做一个源文件，将静态图像分割成大小相同的N个分割图，即N个源数据包s₁,s₂…s_k，对该N个源数据包s₁,s₂…s_k进行分类的具体操作为：

11)计算每个分割图的显著性平均值其中，S_i表示分割图中每一个像素点的显著性值，l表示每一个像素块所含的像素点数；

12)利用边缘检测求取二值图，再计算分割区域所含的边缘信息量S_j表示二值图中每一个像素点的值；

13)计算各源数据包的重要性得分S_p，其中，S_p越大，则该源数据包的重要性程度越高。