一種基于噴泉編碼的保障多媒體多播安全傳輸方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，設(shè)及一種基于噴泉編碼的保障多媒體多播安全傳輸方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著蜂窩網(wǎng)絡(luò)中無線多媒體終端的普及，人們對(duì)無線多媒體業(yè)務(wù)與應(yīng)用的需求與 日劇增，其中一些業(yè)務(wù)或應(yīng)用是同時(shí)被多個(gè)用戶需求的，比如視頻會(huì)議，移動(dòng)電視，微博的 發(fā)布，手機(jī)網(wǎng)游等。隨著用戶數(shù)的增多，運(yùn)類業(yè)務(wù)將消耗大量的空口資源，提高了其成本并 嚴(yán)重阻礙新業(yè)務(wù)的發(fā)展與普及，因此具有資源利用率高、實(shí)時(shí)性強(qiáng)、傳輸速率快等特征的無 線多播技術(shù)為蜂窩網(wǎng)絡(luò)中多媒體業(yè)務(wù)的發(fā)展提供了良好的發(fā)展契機(jī)。
[0003] 無線多播是指在公共的無線信道上同時(shí)為多個(gè)用戶傳輸多媒體數(shù)據(jù)。運(yùn)種點(diǎn)到多 點(diǎn)的傳輸方式受益于無線信道的廣播特性，僅需一個(gè)信道即可同時(shí)為多個(gè)用戶進(jìn)行多播傳 輸，因此比起單播的傳輸方式能夠節(jié)約更多的信道資源。在多播系統(tǒng)中存在著大量的多播 用戶，他們需求相同的高質(zhì)量多媒體數(shù)據(jù)，但由于分布位置不同、遮擋和多徑衰落等因素， 他們的信道質(zhì)量可能相差巨大，此時(shí)為了保證公平性，發(fā)送端選擇較低的調(diào)制編碼方式，W 低速率傳輸多播數(shù)據(jù)，保證多播業(yè)務(wù)能覆蓋到盡可能多的業(yè)務(wù)；換言之，在多播系統(tǒng)中，信 道條件較差的用戶大大限制了多播系統(tǒng)的頻譜效率。同時(shí)，基于時(shí)變衰落信道帶來的影響， 發(fā)送端無法保證所有用戶都能準(zhǔn)確收到每個(gè)數(shù)據(jù)符號(hào)，此時(shí)接收端就會(huì)面臨丟包的問題。 為了保證可靠傳輸需要對(duì)運(yùn)些丟包進(jìn)行反饋重傳，但多播系統(tǒng)由于是多用戶系統(tǒng)，每個(gè)用 戶的丟包可能發(fā)生在不同的時(shí)隙，因此可能有多個(gè)用戶丟失不同的包，但是大量反饋過程 將嚴(yán)重占用系統(tǒng)的資源，甚至可能造成"反饋風(fēng)暴"導(dǎo)致正常信息傳輸?shù)闹袛唷Ｒ虼硕嗖ゼ?術(shù)中研究如何提高傳輸效率、保障安全可靠傳輸具有重大的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，提供了一種基于噴泉編碼的保障多 媒體多播安全傳輸方法，該方法能夠傳輸效率高，并且安全性和可靠性較高。 陽(yáng)〇化]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所述的基于噴泉編碼的保障多媒體多播安全傳輸方法包 括W下步驟：
[0006] 1)將待傳輸?shù)亩嗝襟w業(yè)務(wù)流劃分為k個(gè)信息包Si,S2, ...，Sk,其中，一個(gè)信息包在 一個(gè)傳輸間隙進(jìn)行編碼及傳輸；
[0007] 2)在當(dāng)前傳輸間隙L內(nèi)基站端采用噴泉編碼方法對(duì)該傳輸間隙對(duì)應(yīng)的信息包進(jìn) 行編碼，得校驗(yàn)包；
[0008] 3)在當(dāng)前傳輸間隙L內(nèi)基站端向所有多播組用戶廣播步驟2)得到的校驗(yàn)包；
[0009] 4)當(dāng)?shù)趇個(gè)用戶接收到所述校驗(yàn)包時(shí)，則對(duì)外廣播一個(gè)ACK信號(hào)，告知基站端第i 個(gè)用戶已成功接收所述校驗(yàn)包，基站端將第i個(gè)用戶成功接收的校驗(yàn)包添加到成功接收校 驗(yàn)包集合中，同時(shí)對(duì)第i個(gè)用戶成功接收的校驗(yàn)包進(jìn)行解碼，并將解碼得到的信息添加到 已解碼信息包序號(hào)集合Di中，其中，iG[1，M]，M為能夠成功接收到校驗(yàn)包的用戶數(shù)；
[0010] W重復(fù)步驟。、3)及4)，直至k個(gè)信息包傳輸完為止；
[0011] 6)基站端判斷各已解碼信息包序號(hào)集合中的元素個(gè)數(shù)是否為k，當(dāng)各已解碼信息 包序號(hào)集合中的元素個(gè)數(shù)均不為k時(shí)，則重復(fù)步驟2)、3)、4)及5);當(dāng)已解碼信息包序號(hào)集 合中的元素個(gè)數(shù)均為k時(shí)，則完成多媒體業(yè)務(wù)流的傳輸。
[0012] 步驟3)中在當(dāng)前傳輸間隙L內(nèi)基站端W固定功率向所有多播組用戶廣播步驟2) 得到的校驗(yàn)包。
[0013] 基站端W固定功率通過數(shù)據(jù)鏈路層的CRC編碼W及物理層的信道編碼后經(jīng)信道 將校驗(yàn)包發(fā)送給所有多播組用戶。
[0014] 步驟2)中的噴泉編碼方法的具體操作為：
[0015]a)基站端根據(jù)前一時(shí)隙內(nèi)更新的M個(gè)已成功解碼信息包序號(hào)集合化，〇2, ...Dm分 別確定各用戶未成功解碼信息包序號(hào)集合，得所有用戶的信息包編碼信息；
[0016] b)基站端根據(jù)步驟1)得到的所有用戶的信息包編碼信息設(shè)置編碼結(jié)構(gòu)矩陣P，其 中，P為kXM陣，k為合法用戶數(shù)目，編碼結(jié)構(gòu)矩陣P中第j個(gè)用戶第i個(gè)信息Pi,G{0, 1}， Pu= 0表示第j個(gè)用戶在第i個(gè)信息包時(shí)解碼成功，P1，= 1表示第j個(gè)用戶在第i個(gè)信 息包時(shí)解碼失??；
[0017]C)基站端記錄編碼結(jié)構(gòu)矩陣P中的全0行和全1行的行標(biāo)，并分別存儲(chǔ)于矩陣 ln_0 和ln_l中；
[0018] d)當(dāng)ln_l非空時(shí)，則將ln_0中的全部元素與ln_l中的隨機(jī)一個(gè)元素所對(duì)應(yīng)編號(hào) 的信息包進(jìn)行異或操作，并將異或操作的結(jié)果作為下一時(shí)隙的校驗(yàn)包符號(hào)輸出；
[0019] 當(dāng)ln_l為空時(shí)，則判斷l(xiāng)n_0中元素個(gè)數(shù)是否小于等于k/8,當(dāng)ln_0中元素個(gè)數(shù)小 于等于k/8時(shí)，則查找編碼結(jié)構(gòu)矩陣P中行和最大對(duì)應(yīng)的行標(biāo)，并將該行標(biāo)對(duì)應(yīng)編號(hào)的信息 包與ln_0的全部元素對(duì)應(yīng)編號(hào)的信息包進(jìn)行異或操作，并異或操作的結(jié)果作為下一時(shí)隙 的校驗(yàn)包符號(hào)輸出；
[0020] 當(dāng)ln_l為空時(shí)，且當(dāng)ln_0中元素個(gè)數(shù)大于k/8時(shí)，則將編碼結(jié)構(gòu)矩陣P去掉全0 行后得到的矩陣中行和最小對(duì)應(yīng)的行標(biāo)組成的矩陣記作min_line，并將矩陣min_line的 元素個(gè)數(shù)記為Num_min_line，從矩陣min_line中選出行數(shù)最多的若干行，其中，選擇出來 的所有行所組成的矩陣中各列和均小于2,然后將選擇出來的行的行標(biāo)對(duì)應(yīng)編號(hào)的信息包 與ln_0中的全部元素對(duì)應(yīng)編號(hào)的信息包進(jìn)行異或操作，并將異或操作的結(jié)果作為下一時(shí) 隙的校驗(yàn)包符號(hào)輸出。
[0021] 步驟4)中對(duì)第i個(gè)用戶成功接收的校驗(yàn)包進(jìn)行解碼，并將解碼得到的信息添加到 已解碼信息包序列號(hào)集合Di中的具體操作為：
[0022] 在第i個(gè)用戶的所有校驗(yàn)包，…中找到度為1的校驗(yàn)包，若第i個(gè)用戶的 所有校驗(yàn)包中沒有度為1的校驗(yàn)包時(shí)，則基站端在第P個(gè)時(shí)隙對(duì)第i個(gè)用戶的模 擬解碼操作終止；若第i個(gè)用戶的所有校驗(yàn)包?，…中存在度為1的校驗(yàn)包S。時(shí)，令 Al二義，其中，X'/uEt，將校驗(yàn)包s。與所有和校驗(yàn)包S。有聯(lián)系的校驗(yàn)包進(jìn) 行異或操作，再刪除所有與校驗(yàn)包S。有聯(lián)系的校驗(yàn)包，然后將異或操作的結(jié)果作為新的校 驗(yàn)包S。加入已解碼信息包序號(hào)集合D1中。
[0023] 步驟a)中確定各用戶未成功解碼信息包序號(hào)集合的具體操作為：
[0024] 設(shè)k個(gè)信息包組成的序列集合為I={si，S2,. . .，SiJ，前一時(shí)隙基站端的得到的已 成功解碼信息包序號(hào)集合為〇1，則未成功解碼信息序號(hào)包集合為： 陽(yáng)0巧]Ui=CiDiO
[00%] 本發(fā)明具有W下有益效果：
[0027] 本發(fā)明所述的基于噴泉編碼的保障多媒體多播安全傳輸方法在進(jìn)行信息的傳輸 過程中，基站端采用噴泉編碼方法對(duì)信息包進(jìn)行編碼，得校驗(yàn)包，然后將所述校驗(yàn)包廣播至 所有多播組用戶，可W顯著降低蜂窩網(wǎng)絡(luò)多媒體多播傳輸過程中竊聽用戶的截獲概率同時(shí) 提高了信息傳輸效率。當(dāng)用戶成功接收到校驗(yàn)包時(shí)，則只需對(duì)外廣播一個(gè)ACK信號(hào)，告知基 站端用戶已成功接收到所述校驗(yàn)包，避免反饋過程嚴(yán)重占用系統(tǒng)資源，使信息能夠穩(wěn)定地 傳輸，保證信息傳輸?shù)目煽啃浴?br>[0028] 進(jìn)一步，本發(fā)明通過對(duì)噴泉編碼過程中的度及所選信息包的序號(hào)兩個(gè)參數(shù)進(jìn)行控 制W保證多播組用戶先于竊聽用戶解碼成功，與傳統(tǒng)LT編碼方案相比安全性較高。
【附圖說明】
[0029] 圖1為本發(fā)明的模型圖；
[0030] 圖2為本發(fā)明中基站端的操作流程圖；
[0031] 圖3為本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)中Eve處于不同位置時(shí)竊聽者截獲概率對(duì)比圖；
[0032] 圖4為本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)中Eve處于不同位置時(shí)基站端傳輸效率對(duì)比圖；
[0033] 圖5為本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)中合法用戶個(gè)數(shù)變化時(shí)竊聽者截獲概率對(duì)比圖；
[0034]圖6為本發(fā)明的仿真實(shí)驗(yàn)中合法用戶個(gè)數(shù)變化時(shí)基站端傳輸效率對(duì)比圖。
【具體實(shí)施方式】
[0035] 下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述：
[0036] 本發(fā)明所述的基于噴泉編碼的保障多媒體多播安全傳輸方法包括W下步驟：
[0037] 1)將待傳輸?shù)亩嗝襟w業(yè)務(wù)流劃分為k個(gè)信息包Si, S2, ...，Sk,其中，一個(gè)信息包在 一個(gè)傳輸間隙進(jìn)行編碼及傳輸；
[0038] 2)在當(dāng)前傳輸間隙L內(nèi)基站端采用噴泉編碼方法對(duì)該傳輸間隙對(duì)應(yīng)的信息包進(jìn) 行編碼，得校驗(yàn)包；
[0039] 3)在當(dāng)前傳輸間隙L內(nèi)基站端向所有多播組用戶廣播步驟2)得到的校驗(yàn)包；
[0040] 4)當(dāng)?shù)趇個(gè)用戶接收到所述校驗(yàn)包時(shí)，則對(duì)外廣播一個(gè)ACK信號(hào)，告知基站端第i 個(gè)用戶已成功接收所述校驗(yàn)包，基站端將第i個(gè)用戶成功接收的校驗(yàn)包添加到成功接收校 驗(yàn)包集合中，同時(shí)對(duì)第i個(gè)用戶成功接收的校驗(yàn)包進(jìn)行解碼，并將解碼得到的信息添加到 已解碼信息包序號(hào)集合Di中，其中，iG[1，M]，M為能夠成功接收到校驗(yàn)包的用戶數(shù)；
[0041] 5)重復(fù)步驟2)、3)及4)，直至k個(gè)信息包傳輸完為止；
[0042] 6)基站端判斷各已解碼信息包序號(hào)集合中的元素個(gè)數(shù)是否為k，當(dāng)各已解碼信息 包序號(hào)集合中的元素個(gè)數(shù)均不為k時(shí)，則重復(fù)步驟2)、3)、4)及5);當(dāng)已解碼信息包序號(hào)集 合中的元素個(gè)數(shù)均為k時(shí)，則完成多媒體業(yè)務(wù)流的傳輸。
[0043] 步驟3)中在當(dāng)前傳輸間隙L內(nèi)基站端W固定功率向所有多播組用戶廣播步驟2) 得到的校驗(yàn)包。
[0044] 基站端W固定功率通過數(shù)據(jù)鏈路層的CRC編碼W及物理層的信道編碼后經(jīng)信道 將校驗(yàn)包發(fā)送給所有多播組用戶。
[0045] 步驟2)中的噴泉編碼方法的具體操作為：
[0046] a)基站端根據(jù)前一時(shí)隙內(nèi)更新的M個(gè)已成功解碼信息包序號(hào)集合化，〇2, ...Dm分 別確定各用戶未成功解碼信息包序號(hào)集合，得所有用戶的信息包編碼信息；
[0047] b)基站端根據(jù)步驟1)得到的所有用戶的信息包編碼信息設(shè)置編碼結(jié)構(gòu)矩陣P，其 中，P為kXM陣，k為合法用戶數(shù)目，編碼結(jié)構(gòu)矩陣P中第j個(gè)用戶第i個(gè)信息Pi,G{0, 1}， Pu= 0表示第j個(gè)用戶在第i個(gè)信息包時(shí)解碼成功，P1，=