CN111556222B - 一种基于喷泉码的图像数据变速率安全传输方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于喷泉码的图像数据变速率安全传输方法，该方法根据合法链路信道条件调整每个时隙发送编码包的个数，以充分利用信道资源，减少解码时延。同时使得合法链路的信道质量优势扩大，保障信息的安全传输，并且根据源数据包的重要性、***的时延约束以及信道质量来选择参与编码过程的源数据包。本发明的方法能够使合法接收者尽快积累重要数据，同时防止窃听者截获这些数据，在保障合法用户通信安全的同时也能兼顾用户对时延和业务质量的需求。

Description

一种基于喷泉码的图像数据变速率安全传输方法

技术领域

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图像数据变速率安全传输方法。

背景技术

在基于喷泉码的传输中，源文件被划分成N个等长的源数据包。发送端将不同的源数据包进行按位异或运算，构造成无限数量的喷泉包，然后将其传送到接收端，直到接收端成功累积到N个相互独立的编码包以恢复整个文件。喷泉码的这种特征意味着，合法用户只要在窃听者之前积累到足够的编码包，就不会泄漏信息。与主要是为了最大化私密速率或最小化私密中断概率而设计的传统物理层安全策略相比，基于喷泉码的抗窃听技术可以显著提高合法收发器之间的传输速率，因为该速率仅受香农容量的限制。

现今通过喷泉编码增强传输安全性的大部分工作以恒定速率传送编码包，即不管喷泉包如何构造，发射机在每个时隙仅发送一个编码包。然而由于无线信道具有随机性，在信道条件很好时，仅发送一个编码包容易造成资源的浪费。另外，大多数现有的基于喷泉码的传输方案主要关注***的截获概率，也就是说它们仅关心比特流的传输安全性。但是，这些方法对于需要充分考虑安全性约束与多样化服务质量要求之间的相互耦合和制约关系的图像业务并不适用。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提出一种基于喷泉码的图像数据变速率安全传输方法，该方法能够充分考虑安全性约束与多样化服务质量要求之间的相互耦合和制约关系，同时兼顾可靠、安全、时延等多维需求，为用户提供综合服务质量保障。

本发明的目的通过如下的技术方案来实现：

一种基于喷泉码的图像数据变速率安全传输方法，该方法包含以下步骤：

(1)在传输发生前，合法发送机首先将源文件分成N个源数据包，每个源数据包包含K比特，并对各个源数据包进行重要性排序，得到排序后的数据包集合∏＝{π₁,π₂,…,π_N}，其中，索引序号较小的源数据包更为重要；

(2)传输过程中，在每个时隙末尾，合法发送机通过反馈信道获得合法接收机已恢复的源数据包的索引；然后，更新构造的解码集D_π和非解码集U_π，其中D_π包含所有Bob已经恢复的源数据包，而U_π包含所有Bob未恢复的源数据包；在更新的U_π中，根据各个源数据包的重要性对源数据包进行重新排序，并且这些数据包的索引从1开始，将更新后的U_π记为U_π＝{π₁,π₂,…}；

(3)在下一个时隙开始时，合法发送机首先根据信道反馈获得合法链路的信道质量γ_AB，然后与中断门限γ_v比较，

当γ_AB<γ_v时，则在当前时隙不进行编码包的发送，其中γ_v是传输中断门限；

当γ_AB≥γ_v时，计算出在当前合法链路信道条件下，Bob最多能够正确接收的编码包个数

然后进入下一步骤；

(4)Alice将最近一次从D_π中恢复出的源数据包π_rec与从U_π中选出的L个源数据包{π_ind,…,π_ind+L-1}进行喷泉编码，得到L个编码包{t₁,…,t_L}，编码包的构造方法如下：

其中，ind是来自U_π中某一源数据包的索引；

(5)Bob将解码得到的源数据包索引反馈给Alice，再重复步骤(2)到步骤(4)，直到Bob解得整个源文件或者到时延要求界限为止。

进一步地，假设B和T分别为所述***带宽和传输时隙的持续时间，i和j分别表示***中的两个节点，链路i→j的信道系数建模为一个均值为零、方差为

的循环对称复高斯随机变量，记作

其中

α和d_ij分别表示路径损耗指数和节点i与j之间的距离，SNR为发射机的平均发送功率

与接收端噪声方差N₀之间的比值，在规定编码包被Eve窃听的概率必须小于η这样一个条件的情况下，中断门限γ_v的确定方法如下：

其中，

和

分别表示链路A→E和A→B的信道系数方差。

进一步地，所述的ind由下述公式确定：

其中，M代表到当前时隙数为止U_π中源数据包的个数，T_req和T_coms分别表示传输完整个文件所要求的时延限制以及到当前时隙为止已经消耗的传输时间，两个时间均以时隙数为单位进行度量，T_exp表示传完整个文件平均所需的时隙数。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明所提出的传输方法能够充分利用信道资源自适应地调整每次传输的编码包个数，减少合法用户的解码时延。满足图像业务高速传输的要求和严格的时延限制。

(2)本发明所提出的传输方法所利用的喷泉包构造方法能够有效扩大合法链路的信道优势，在合法链路平均信道质量劣于窃听链路的平均信道质量时，仍然具有一定的抗窃听性能。

(3)本发明所提出的传输方法能够根据源数据包的重要性，***的时延约束以及信道质量来选择每次参与编码过程的源数据包。通过使用所提出的喷泉包构造方法，合法接收者能够在有限的时延内尽快积累重要数据，同时也可以防止窃听者截获这些重要数据。

附图说明

图1为合法接收机Bob恢复源文件所需的译码时延随SNR变化的曲线图；

图2为合法接收机Bob和窃听者Eve恢复源数据包的百分比随时延门限变化的曲线图；

图3为采用三种不同的喷泉包构造方法在Bob和Eve处恢复的图像，其中，图3a为根据本发明所提出的喷泉包构造方法在Bob处恢复的图像，图3b为根据本发明所提出的喷泉包构造方法在Eve处恢复的图像，图3c为随机选择源数据包构造喷泉包的方法在Bob处恢复的图像，图3d为随机选择源数据包构造喷泉包的方法在Eve处恢复的图像，图3e为优先选择最重要数据包来构造喷泉包在Bob处恢复的图像，图3f优先选择最重要数据包来构造喷泉包在Eve处恢复的图像。

具体实施方式

下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

假设***带宽为B,***中包含三个节点Alice，Bob和Eve，分别代表合法发送机、合法接收机和窃听者。假设无线信道为块衰落信道模型，信道系数h_ij是一个循环对称复高斯随机变量，均值为零且方差为

即

其中α和d_ij分别代表路径损耗指数和节点i与j之间的距离。发射机的平均发送功率

接收端的噪声是方差为N₀的加性高斯白噪声，将SNR定义为

本发明的基于喷泉码的图像数据变速率安全传输方法，包括如下步骤：

(1)在传输发生前，合法发送机首先将源文件分成N个源数据包，每个源数据包包含K比特，并对各个源数据包进行重要性排序，得到排序后的数据包集合∏＝{π₁,π₂,…,π_N}；其中排序靠前的源数据包具有较高的优先级，也就是说对于合法接收者来说，索引序号较小的源数据包更为重要。

(2)传输过程中，在每个时隙末尾，合法发送机通过反馈信道获得合法接收机已恢复的源数据包的索引；然后，更新构造的解码集D_π和非解码集U_π，其中D_π包含所有Bob已经恢复的源数据包，而U_π包含所有Bob未恢复的源数据包；在更新的U_π中，根据各个源数据包的重要性对源数据包进行重新排序，并且这些数据包的索引从1开始，将更新后的U_π记为U_π＝{π₁,π₂,…}；

(3)在下一个时隙开始时，合法发送机首先根据信道反馈获得合法链路的信道质量γ_AB，然后与中断门限γ_v比较，

当γ_AB<γ_v时，则在当前时隙不进行编码包的发送，其中γ_v是传输中断门限；

当γ_AB≥γ_v时，计算出在当前合法链路信道条件下，Bob最多能够正确接收的编码包个数

这是在当前合法链路信道条件下，Bob最多能够正确接收的编码包个数，因此可以保证充分利用合法链路的信道资源，提高Bob的接收速率，减少解码时延。

这一步中，在满足编码包被Eve窃听的概率必须小于η这样一个约束条件下，以使合法用户平均每个时隙能够接收的编码包个数最大为优化目标，得出中断门限γ_v的解如下：

其中，

和

分别表示链路A→E和A→B的信道系数方差。

(4)Alice将最近一次从D_π中恢复出的源数据包π_rec与从U_π选出的L个源数据包{π_ind,…,π_ind+L-1}进行喷泉编码，得到L个编码包{t₁,…,t_L}，编码包的构造方法如下：

其中，ind是来自U_π中某一源数据包的索引。

这样设计编码结构可以保证每个已经被Bob解码的源数据包最多只能参与到两个喷泉包的编码过程。这样做有两个好处，第一，假设在时隙t时Bob接收到一个编码包并解得源数据包π_j，而由于在该时隙中窃听链路信道条件较差而使Eve无法恢复该源数据包，那么在所有后续传输中，Eve也无法恢复任何新的未解码源数据包，因此扩大了合法链路的信道优势；第二，只要Alice传递出一个编码包，就可以为Bob提供一个新的未解码的源数据包，因此每一个传输时隙都不会被浪费，这样做进一步减少了解码时延。

在上述编码包的构造过程中，ind可由下述公式确定：

其中，M代表到当前时隙数为止U_π中源数据包的个数，T_req和T_coms分别表示传输完整个文件所要求的时延限制以及到当前时隙为止已经消耗的传输时间，两个时间均以时隙数为单位进行度量，T_exp表示传完整个文件平均所需的时隙数。

假设每个时隙能够传输n个编码包的概率为P_n，可以推导出

其中，

以及

因此，平均每个时隙可以传输的编码包个数表示如下：

由本发明的编码方案设计可知，Alice每传输一个编码包就能为Bob提供一个新的未解码源数据包，因此Bob平均每个时隙可以解得的源数据包等于Alice平均每个时隙传输的编码包个数

所以T_exp可以由

近似确定。

在确定该ind的函数中，

表示由合法链路瞬时信道质量与窃听链路平均信道质量之间的差异到源数据包索引序号的映射，γ_AB相比于窃听链路的平均信道质量越好，则该值越小，应当选取的源数据包索引序号越小，这说明，Alice-Bob链路信道质量相对于窃听链路的平均信道质量越好的时候倾向于发送对图像质量贡献度较大的源数据包，这样更有利于合法接收端尽快获得重要数据，因此这一项体现了信道质量和图像内容对喷泉码构造所起的作用。

和min(1,T_req/T_exp)是两个重要的调整因子，体现的是时延约束在喷泉码构造中所起的作用。具体来说，T_coms越大，则意味着到当前时间为止剩余可用的传输时间越为有限，因此应优先传输重要的数据包，所以此时

的数值较小，所选取的源数据包索引序号需要在

的基础上乘以这个调整量；而由于T_exp表示传完整个文件平均所需的时隙数，所以T_req/T_exp越小，表示在有限的时延约束内传完全文件的概率越小，此时应优先传输重要的源数据包，使合法用户在有限的时延条件下获得足够多的重要信息，提升其体验质量。因此取T_req/T_exp与1中的最小值作为调整因子与

相乘是为了在时延约束比较紧(不能在有限时延约束下完成全文件传输)的情况下，进一步减小ind的值，以选取更重要的源数据包参与编码。综上，这样一个喷泉码的构造方法联合考虑了源数据包的优先级、信道质量、时延约束等多重因素，能够保证合法接收者尽快积累更为重要的信息，同时防止窃听者截获这些数据。

编码完成后，令π_rec等于π_ind+L-1，以便于下一次编码。

(5)Bob将解码得到的源数据包索引反馈给Alice，再重复步骤(2)到步骤(4)，直到Bob解的整个源文件或者到时延要求界限为止。

下面对本发明的仿真效果作简要说明。

本发明通过合法链接的信道质量调整每次传输编码包的个数，因此可以充分利用信道资源，大大减少了Bob的译码时延。同时通过喷泉包的构造设计，使得每个编码包的都是相互独立的，也让Alice每发送一个编码包就能为Bob提供一个新的未解码源数据包，因此解码时延进一步减少。如图1所示，本发明在译码时延上具有极大优势，其中T_req＝N×(1+Δ)。

本发明在减少译码时延的同时能够为信息安全提供较好的保障。从图2可以看出，在一个较紧的时延约束条件下，Bob仍然能够恢复较多的信息，同时使得Eve恢复的源数据包百分比维持在一个较低水平。

图3将本发明应用于具体的图像传输业务中，对比了在利用三种不同的选择参与编码过程的源数据包方法下，Bob和Eve恢复的图像。为方便对比，给出的时延约束较紧。可以看出，本发明所提出的构造方法不仅可以使得合法接收者在有限的时延约束内能尽快积累更重要数据(人脸区域)，同时可以防止窃听者截获这些数据。

本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种基于喷泉码的图像数据变速率安全传输方法，其特征在于，该方法包含以下步骤：

(1)在传输发生前，合法发送机首先将源文件分成N个源数据包，每个源数据包包含K比特，并对各个源数据包进行重要性排序，得到排序后的数据包集合Π＝{π₁,π₂,…,π_N}，其中，索引序号较小的源数据包更为重要；

(2)传输过程中，在每个时隙末尾，合法发送机通过反馈信道获得合法接收机已恢复的源数据包的索引；然后，更新构造的解码集D_π和非解码集U_π，其中D_π包含所有Bob已经恢复的源数据包，而U_π包含所有Bob未恢复的源数据包；在更新的U_π中，根据各个源数据包的重要性对源数据包进行重新排序，并且这些数据包的索引从1开始，将更新后的U_π记为U_π＝{π₁,π₂,…}；

(3)在下一个时隙开始时，合法发送机首先根据信道反馈获得合法链路的信道质量γ_AB，然后与中断门限γ_v比较，

当γ_AB＜γ_v时，则在当前时隙不进行编码包的发送，其中γ_v是传输中断门限；

当γ_AB≥γ_v时，计算出在当前合法链路信道条件下，Bob最多能够正确接收的编码包个数

然后进入下一步骤；其中B和T分别为***带宽和传输时隙的持续时间；

(4)Alice将最近一次从D_π中恢复出的源数据包π_rec与从U_π选出的L个源数据包{π_ind,…,π_ind+L-1}进行喷泉编码，得到L个编码包{t₁,…,t_L}，编码包的构造方法如下：

其中，ind是来自U_π中某一源数据包的索引；

(5)Bob将解码得到的源数据包索引反馈给Alice，再重复步骤(2)到步骤(4)，直到Bob解得整个源文件或者到时延要求界限为止。

2.根据权利要求1所述的基于喷泉码的图像数据变速率安全传输方法，其特征在于，i和j分别表示***中的两个节点，链路i→j的信道系数建模为一个均值为零、方差为

的循环对称复高斯随机变量，记作

其中

α和d_ij分别表示路径损耗指数和节点i与j之间的距离，SNR为发射机的平均发送功率

与接收端噪声方差N₀之间的比值，在规定编码包被Eve窃听的概率必须小于η这样一个条件的情况下，中断门限γ_v的确定方法如下：

其中，

和

分别表示链路A→E和A→B的信道系数方差。

3.根据权利要求1或2所述的基于喷泉码的图像数据变速率安全传输方法，其特征在于，所述的ind由下述公式确定：

其中，M代表到当前时隙数为止U_π中源数据包的个数，T_req和T_coms分别表示传输完整个文件所要求的时延限制以及到当前时隙为止已经消耗的传输时间，两个时间均以时隙数为单位进行度量，T_exp表示传完整个文件平均所需的时隙数。

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