一種二進制刪除信道下的噴泉碼方法
【專利摘要】本發(fā)明是一種二進制刪除信道下的噴泉碼方法：它對原始數(shù)據(jù)流進行基礎(chǔ)LT碼預(yù)編碼；將編碼數(shù)據(jù)流進行分割處理，按需要分成數(shù)個支信息流；對每個支信息流進行基礎(chǔ)LT碼編碼；按預(yù)先制定好的路由方案發(fā)送各支路信息流；在譯碼端用最大似然法解碼最先到達的支信息流；將經(jīng)過編譯的支信號流按原分割方案進行重組；對重組信息流進行最大似然解碼法編譯，得到原始數(shù)據(jù)流，完成了對原始數(shù)據(jù)的正確完整編譯。其方法設(shè)計合理，它能基本達到信息傳輸時機密性、完整性、可用性，也可以保證譯碼方的正確譯碼。本發(fā)明為信息的安全傳輸?shù)於嘶A(chǔ)，對編碼理論、網(wǎng)絡(luò)信息安全架構(gòu)建設(shè)具有重大意義。
【專利說明】一種二進制刪除信道下的噴泉碼方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于編碼領(lǐng)域，具體地說是涉及一種改進的二進制刪除信道下噴泉碼的編譯碼方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著互聯(lián)網(wǎng)及其應(yīng)用的快速發(fā)展，近年來政府、軍事以及民用信息的安全傳遞越發(fā)重要。安全信息傳輸要求信息安全三要素一機密性、完整性和可用性之間相互平衡，達到網(wǎng)絡(luò)資源的最佳分配，提供必要的網(wǎng)絡(luò)彈性。網(wǎng)絡(luò)的彈性通常經(jīng)由網(wǎng)絡(luò)節(jié)點、鏈路的冗余，信息重新傳輸，數(shù)據(jù)的復(fù)制，多樣性來實現(xiàn)，需要犧牲某些資源來達到最佳網(wǎng)絡(luò)彈性，使得網(wǎng)絡(luò)在受到自然影響、不確定干擾、甚至蓄意破壞的情況下仍能維持一定質(zhì)量的服務(wù)，同時完成信息安全三要素之間的平衡。
[0003]如何通過對信息進行加密編碼，使之在無線或有線網(wǎng)絡(luò)信道受到潛在竊聽、信道損壞、信道不穩(wěn)定的情況下中進行安全傳輸，已成為近年來的熱門研究課題。目前，已有多種編碼手段已得到了理論證明和實驗考證，實現(xiàn)了一定程度上信息安全的保障。例如，參考文獻題目為 Protecting Network Coded Packets in Coalition Networks (該文作者是:Soon Y.0h和Mario Gerla，洛杉磯加利福尼亞大學(xué)計算機科學(xué)學(xué)院，2010年出版在 Wireless On-demand Network Systems and Services (WONS), 2010 SeventhInternational Conference),文獻闡述了如何利用網(wǎng)絡(luò)編碼實現(xiàn)對傳輸過程中各節(jié)點的控制，在網(wǎng)絡(luò)節(jié)點不可信任度高達50%、并且信道因遭受不穩(wěn)定、損壞和堵塞而產(chǎn)生錯誤傳輸?shù)膰谰闆r下提高正確傳輸成功率；參考文獻題目為Wireless Information-TheoreticSecurity(該文作者是:Matthieu Bloch, Joao Barros,Miguel R.D.Rodrigues和Stevenff.McLaughlin, 2008 年出版在期刊:IEEE Transactions on Information Theory),文中提出了根據(jù)衰減信道震蕩情況產(chǎn)生密鑰，在傳統(tǒng)通訊系統(tǒng)中添加一層新的加密層，使得單方向數(shù)據(jù)傳輸可以在準靜態(tài)無線信道中得到安全保證，雖然此法可以在很大的SNR范圍內(nèi)提供絕對安全傳輸，但其算法繁復(fù)、對存儲的要求非常高；參考文獻題目為Secrecy andReliability Using Raptor Codes in the Presence of a Wiretapper in Multiple PathWireless Network,(該文作者是:Anna Kacewicz 和 Stephen B.Wicker, 2009 年出版在IEEE),根據(jù)信道的擦除概率和所用LT編碼數(shù)據(jù)，計算出可糾正的擦出概率，從而制定相應(yīng)的路由方案；參考文獻題目為Raptor Codes(該文作者是:Amin Shokrollahi and MichaelLuby, 2009 年發(fā)表于 Foundations and Trends in Communications and InformationTheory)中，對噴泉碼及其應(yīng)用進行了詳盡的介紹。
[0004]TCP/IP采用重傳機制來保證傳輸?shù)目煽啃?，但在嚴重損壞的信道上進行傳輸(質(zhì)量很差的無線或衛(wèi)星鏈路)或傳輸距離太長的時候其性能很差，因為將導(dǎo)致發(fā)送方等待反饋確認信息時的空閑時間長。另外，當接收者數(shù)量很多時，也不太可能估計每個信道的刪除概率和丟包情況。數(shù)字噴泉碼一LT碼是Luby于2002年提出的，主要針對大規(guī)模數(shù)據(jù)分發(fā)和可靠廣播的應(yīng)用特點而提出的一種理想的解決方案。LT碼生成的編碼包中有少量連接度很高的包，這些包的作用主要是保證對所有數(shù)據(jù)包的良好覆蓋，從而保證譯碼的完整性，然而這些高連接度數(shù)據(jù)包的存在，消耗了很多編譯碼異或操作，同時也降低了低連接度數(shù)據(jù)包的比例，從而減小了譯碼過程中可譯集的大小，降低了譯碼成功率。為了代替高連接度數(shù)據(jù)包完成對數(shù)據(jù)的良好覆蓋，有效地提高譯碼成功率并降低編譯碼復(fù)雜度，Shokrollahi提出了 Raptor碼。Raptor碼采用兩步編碼的方式:第一步，對原始信息用一個分組碼進行預(yù)編碼，然后采用一個弱化的LT碼對數(shù)據(jù)進行編碼并發(fā)送。
[0005]Raptor碼同時使用高連接度和低連接度的編碼數(shù)據(jù)包，完成對數(shù)據(jù)的良好覆蓋，有效地提高譯碼成功率，同時降低了編譯碼復(fù)雜度。在Raptor編碼中，弱化的LT碼是指它生成的編碼包沒有高連接度包，無法完全譯出原始數(shù)據(jù)。Raptor碼譯碼時，首先用BP算法對數(shù)據(jù)進行正常譯碼。由于弱化LT碼能以很高的概率恢復(fù)出絕大多數(shù)的數(shù)據(jù)包，因此剩下未被譯碼的數(shù)據(jù)包所占的比例就被控制在一個很小的范圍以內(nèi)，這些未被譯碼的數(shù)據(jù)不再通過高連接度的編碼包來保證覆蓋和恢復(fù)，而是利用預(yù)編碼的糾錯能力進行恢復(fù)。通過聯(lián)合優(yōu)化弱化LT碼和預(yù)編碼的碼率和參數(shù)，Raptor可以獲得更低的編譯碼復(fù)雜度，而在相同譯碼開銷下能實現(xiàn)更高的譯碼成功率。
[0006]Raptor解決了基于重傳機制的TCP/IP在應(yīng)用過程中所遇到的問題，但是Raptor對于信息的安全性保障存在缺陷。根據(jù)其設(shè)計原理，任意接收端或竊聽者只要截獲足夠數(shù)量的數(shù)據(jù)包，即可解碼數(shù)據(jù)竊取信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種改進了的二進制刪除信道下的噴泉碼方法；該方示在保持譯碼可靠性的條件下，獲得提高編碼效率、降低譯碼復(fù)雜度的信道編碼策略。
[0008]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是通過以下的技術(shù)方案來實現(xiàn)的。本發(fā)明是一種二進制刪除信道下的噴泉碼方法，其特點是，其步驟如下:
(1)對原始數(shù)據(jù)流使用分組碼進行預(yù)編碼操作，C=dG ;其中，c為預(yù)編碼數(shù)據(jù)包，d為原始數(shù)據(jù)包，G為生成矩陣，在預(yù)編碼時選用密度為0.2的稀疏矩陣作為生成矩陣來獲得預(yù)編碼數(shù)據(jù)；生成矩陣是由眾多小稀疏矩陣構(gòu)成，然后按行與列分別進行洗牌而得到的；
(2)將預(yù)編碼后得到的數(shù)據(jù)流進行分割處理，按需要分成數(shù)個支信息流；
(3)對每個支信息流按LT碼的定義進行編碼，LT編碼時“度”Ω參數(shù)的選取范圍是I
<Ω〈 K;其中，K為原始數(shù)據(jù)包長度；
(4)按預(yù)先制定好的路由方案發(fā)送各支路信息流；
(5)在譯碼端用高斯消元法也即最大似然法解碼最先到達的支信息流，d’=c’/G’，其中，c’為接收到的數(shù)據(jù)包，d’為LT編碼前的數(shù)據(jù)包，G’為LT編碼生成矩陣；
(6)將經(jīng)過編譯的各路支信號流按原分割方案進行重組；
(7)對重組后的信息流進行最大似然解碼法編譯，得到原始數(shù)據(jù)流，完成了對原始數(shù)據(jù)的正確完整編譯。
[0009]本發(fā)明所述的二進制刪除信道下的噴泉碼方法的步驟(3)中，“度” Ω的優(yōu)選范圍是I〈 Ω〈 6。這樣可以提高譯碼效率。
[0010]本發(fā)明所述的二進制刪除信道下的噴泉碼方法中:步驟(4)所制定的路由方案考慮每段路徑的擦除信道概率，保證在物理距離最短且丟包現(xiàn)象避免得最好，優(yōu)選的路由方案如下:
(1)根據(jù)每一段路徑的長短，為其相關(guān)一個模擬的擦除信道概率Pi=di/d總；其中，Pi是該段路徑的擦除概率，di為該路徑的長度，d總為收端到發(fā)端的直線距離；注意，這里假設(shè)的擦除信道是一個根據(jù)實際路徑長度得到的簡單估計，真實的網(wǎng)絡(luò)布局中，每段路徑的擦除概率是不一定的，并且會是事實變動的，所以應(yīng)該配備更加靈活的路由方案；
(2)將網(wǎng)絡(luò)中檢測到的處于收端和發(fā)端之間的節(jié)點位置，計算所有可能的路徑；這種計算方法屬于列舉法，比如:只跳一步就能到達收端的路徑是“發(fā)端-收端”，只跳2步就能到達收端的路徑有“發(fā)端-某中間節(jié)點-收端”，3步到達的路徑有“發(fā)端-某中間節(jié)點-另個中間節(jié)點-收端”；需要跳的步數(shù)越多，可能的路徑越多，算法時間也就越長；
(3)為所有這些路徑計算丟包率；即:將第一步所得到的擦除信道概率應(yīng)用到每段路徑中去，計算采用每種可能的路線時的丟包情況；將所有路線的丟包情況進行排序，選擇丟包情況最優(yōu)的前幾種方案。
[0011]最優(yōu)路線條數(shù)的選擇應(yīng)遵循本發(fā)明中所設(shè)置的限制(即:排序選擇路線時，任意節(jié)點被使用次數(shù)達到上限時，之后所有經(jīng)過它的線路都不能被選用)。這樣，路由方案就完美地配合了編碼方案，達到了數(shù)據(jù)傳輸絕對安全保密的效果。
[0012]使用該方法編譯的數(shù)據(jù)在進行傳輸時，配合特定的路由方案可以100%保證信息不被第三方竊聽，達到了信息傳輸?shù)慕^對安全；同時，由于采用噴泉碼作為編碼基礎(chǔ)，可以保證譯碼方的正確譯碼。
[0013]本發(fā)明改進的編碼方法遵循“預(yù)編碼-分流-LT編碼”思路。本發(fā)明中:(1)對原始數(shù)據(jù)流進行基礎(chǔ)LT碼預(yù)編碼，在預(yù)編碼時選用了密度為0.2的稀疏矩陣來生成預(yù)編碼數(shù)據(jù)，生成矩陣由眾多小稀疏矩陣構(gòu)成，然后按行與列分別進行洗牌。詳細方法可參見2009年 Luby 在 Foundations andTrends in Communications and Information Theory 發(fā)表的文章Raptor Code。(2)將預(yù)編碼數(shù)據(jù)流進行分割處理，按需要分成數(shù)個支信息流，每個支信息流后續(xù)將對應(yīng)一條支路進行傳播。如圖1所示，是一個具有多節(jié)點的網(wǎng)絡(luò)中使用本發(fā)明的編譯碼方案模型。在本網(wǎng)絡(luò)中，數(shù)據(jù)可經(jīng)由中間節(jié)點從數(shù)據(jù)源發(fā)送到目標地。經(jīng)過預(yù)編碼的K_pre比特數(shù)據(jù)包被分為5路，分割后的數(shù)據(jù)包分別為SplitC比特和SplitD比特。這兩路數(shù)據(jù)包將會分別接受后續(xù)LT編碼處理，并經(jīng)由不同的物理路徑傳送出去。
[0014]對于復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)，需要事先確定將要使用的路徑數(shù)，然后依此確定相應(yīng)的分割數(shù)。為了保證接收端數(shù)據(jù)的可還原性，并且保證網(wǎng)絡(luò)中其它任何節(jié)點不能破譯出原始數(shù)據(jù)，分割數(shù)據(jù)包Split必須小于1(_01^811^1=100比特。這是由于如果編碼數(shù)據(jù)包不大于原始數(shù)據(jù)包長度，就無法還原出原始數(shù)據(jù)包，且其還原結(jié)果在數(shù)學(xué)上將會有無數(shù)個解。
[0015]另外，可對原始預(yù)編碼數(shù)據(jù)包進行多一些的分割，設(shè)置稍微多一些的發(fā)送支路來對它們一一傳送。這樣當接收端最早接收到的幾個分割數(shù)據(jù)包中數(shù)據(jù)總長度超過了 K_original，不必等接收到所有支路數(shù)據(jù)包就可開始解碼。如圖中，分割后每路數(shù)據(jù)包長度為40比特，則在接收端，根據(jù)最先收到的3個子數(shù)據(jù)包(即收到40比特x3=120比特的預(yù)編碼數(shù)據(jù)包)，即可解碼原數(shù)據(jù)包。這樣的設(shè)置可以保證在網(wǎng)絡(luò)中某些節(jié)點或支路出現(xiàn)故障時接收端仍然能盡可能快 地收取足夠多數(shù)據(jù)來譯碼原數(shù)據(jù)。因此，實際支路數(shù)(分割數(shù))可以大于所必需的支路數(shù)(分割數(shù))。[0016]而當網(wǎng)絡(luò)分布較為復(fù)雜時，傳播路徑數(shù)確定后，分割后的數(shù)據(jù)包如果制定了大小限制為Split_min到Split_max比特(Split_max〈K_original),則在制定傳播路線時,須確定每個網(wǎng)絡(luò)中的節(jié)點都不得被使用超過 K_original/Split_max 次，以保證任何網(wǎng)絡(luò)中間結(jié)點都不能解碼獲得原始數(shù)據(jù)；
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的一種改進的二進制刪除信道下的噴泉碼方法設(shè)計合理，它能基本達到信息傳輸時機密性、完整性和可用性的100%安全保證。使用該算法編譯的數(shù)據(jù)在進行傳輸時，配合適當?shù)穆酚煞桨缚梢?00%保證信息不被第三方竊聽，達到了信息傳輸?shù)慕^對安全；同時，由于采用噴泉碼作為編碼基礎(chǔ)，可以保證譯碼方的正確譯碼。本發(fā)明為信息的安全傳輸?shù)於嘶A(chǔ)，對編碼理論、網(wǎng)絡(luò)信息安全架構(gòu)建設(shè)具有重大意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為編譯碼示例模型；
圖2為簡單傳輸信道模型；
圖3為編譯碼及傳輸流程示意圖；
圖4為復(fù)雜傳輸信道模型；
圖5為模型的運行結(jié)果圖；
圖6展示的是優(yōu)化后的路由方案。
【具體實施方式】
[0018]以下參照附圖，進一步描述本發(fā)明的具體技術(shù)方案，以便于本領(lǐng)域的技術(shù)人員進一步地理解本發(fā)明，而不構(gòu)成對其權(quán)利的限制。
[0019]實施例1，一種二進制刪除信道下的噴泉碼方法，其步驟如下:
(1)對原始數(shù)據(jù)流使用分組碼進行預(yù)編碼操作，C=dG ;其中，c為預(yù)編碼數(shù)據(jù)包，d為原始數(shù)據(jù)包，G為生成矩陣，在預(yù)編碼時選用密度為0.2的稀疏矩陣作為生成矩陣來獲得預(yù)編碼數(shù)據(jù)；生成矩陣是由眾多小稀疏矩陣構(gòu)成，然后按行與列分別進行洗牌而得到的；
(2)將預(yù)編碼后得到的數(shù)據(jù)流進行分割處理，按需要分成數(shù)個支信息流；
(3)對每個支信息流按LT碼的定義進行編碼，LT編碼時“度”Ω參數(shù)的選取范圍是I
<Ω〈 K;其中，K為原始數(shù)據(jù)包長度；
(4)按預(yù)先制定好的路由方案發(fā)送各支路信息流；
(5)在譯碼端用高斯消元法也即最大似然法解碼最先到達的支信息流，d’=c’/G’，其中，c’為接收到的數(shù)據(jù)包，d’為LT編碼前的數(shù)據(jù)包，G’為LT編碼生成矩陣；
(6)將經(jīng)過編譯的各路支信號流按原分割方案進行重組；
(7)對重組后的信息流進行最大似然解碼法編譯，得到原始數(shù)據(jù)流，完成了對原始數(shù)據(jù)的正確完整編譯。
[0020]實施例2，實施例1所述的二進制刪除信道下的噴泉碼方法中:步驟(3)中，“度”Ω的選取范圍是I〈 Ω〈 6。
[0021]實施例3，實施例1或2所述的二進制刪除信道下的噴泉碼方法中:步驟(4)所制定的路由方案考慮每段路徑的擦除信道概率，保證在物理距離最短且丟包現(xiàn)象避免得最好，具體的路由方案如下:(1)根據(jù)每一段路徑的長短，為其相關(guān)一個模擬的擦除信道概率Pi=di/d總；其中，Pi是該段路徑的擦除概率，di為該路徑的長度，d總為收端到發(fā)端的直線距離；
(2)將網(wǎng)絡(luò)中檢測到的處于收端和發(fā)端之間的節(jié)點位置，計算所有可能的路徑；
(3)為所有這些路徑計算丟包率；即:將第一步所得到的擦除信道概率應(yīng)用到每段路徑中去，計算采用每種可能的路線時的丟包情況；將所有路線的丟包情況進行排序，選擇丟包情況最優(yōu)的前幾種方案。
[0022]實施例4，二進制刪除信道下的噴泉碼方法實例:
如圖2所示，為一個簡單的傳輸信道模型。A點和B點分別為發(fā)送端和接收端。C、D兩點為中轉(zhuǎn)節(jié)點，也即模擬的竊聽者。每段信道都有一個二進制刪除信道概率，記為P/i=JXm。發(fā)送端A點的數(shù)據(jù)流分兩路到達接收到B點。SHAPE \* MERGEFORMAT本實例的編碼方案遵循“預(yù)編碼-分流-LT編碼”思路，在Raptor碼的基礎(chǔ)上引進了分流操作。具體流程如圖2所示。
[0023](I)如圖3，SHAPE \* MERGEFORMAT K_original比特為要傳遞的數(shù)據(jù)包，首先，該數(shù)據(jù)包被預(yù)編碼。在預(yù)編碼時選用了密度為0.2的稀疏矩陣來生成預(yù)編碼數(shù)據(jù)，生成矩陣由眾多小稀疏矩陣構(gòu)成。K_original被擴大SK_bit比特。預(yù)編碼的碼率，結(jié)合分發(fā)支路數(shù)量，有嚴格的限制。即預(yù)編碼后的數(shù)據(jù)包，要求長度K_pre滿足:
K_origina l〈K_pre〈K_original氺(L-1)
其中，L為支路數(shù)，預(yù)編碼碼率最小值為1/L。
[0024](2)將K_bit分流，得到長度分別為SplitC比特和SplitD比特的兩個子數(shù)據(jù)包，因一串長為K_origi nal的數(shù)據(jù)包不能被長度比它短的數(shù)據(jù)包譯碼，所以預(yù)編碼后分割出的每個支路數(shù)據(jù)包長度不得超過K_original,即SplitC和SplitD最大值為K_original_l比特。
[0025](3)對SplitC比特和SplitD比特這兩個子數(shù)據(jù)包進行LT編碼，長度變?yōu)門xC比特和TxD比特。為了提高譯碼效率，在本發(fā)明中“度” Ω的最終選取范圍是I〈 Ω〈 6。
[0026](4)在二進制刪除信道中，數(shù)據(jù)包收到損耗丟失，到達中轉(zhuǎn)站C、D兩點時，子數(shù)據(jù)包長度衰減為EvsC比特和EvsD比特。中轉(zhuǎn)C和D點無權(quán)對經(jīng)過的數(shù)據(jù)進行任何操作，直接將子數(shù)據(jù)包再轉(zhuǎn)發(fā)到B點，最終接收端B收到的兩個子數(shù)據(jù)包分別為RxC比特和RxD比特。
[0027](4-1)根據(jù)每一段路徑的長短，為其相關(guān)一個模擬的擦除信道概率Pi= (di/(d總))。其中，Pi是該段路徑的擦除概率，di為該路徑的長度，d總為收端到發(fā)端的直線距離。
[0028](4-2)將網(wǎng)絡(luò)中檢測到的處于收端和發(fā)端之間的節(jié)點位置，計算所有可能的路徑。這種計算方法屬于列舉法，本網(wǎng)絡(luò)中一共有3條路徑:A_B、A_C_B和A_D_B。注意，本網(wǎng)絡(luò)不例中網(wǎng)絡(luò)為正方形，C、D兩點距發(fā)送端A點距離相同，故不可返回跳步，不會出現(xiàn)A-C-D-B或A-D-C-B的路線情況。另，一般網(wǎng)絡(luò)中發(fā)送端和接收端相距都很遠，所以A-B這種情況一般也不會出現(xiàn)，最終確定傳播路線只有A-C-B和A-D-B兩條。
[0029](4-3)為所有這些路徑計算丟包率。即:將(4-1)所得到的擦除信道概率應(yīng)用到每段路徑中去，計算采用每種可能的路線時的丟包情況。由于K_original/Splt_max =1,即每個中間節(jié)點不得使用超過I次。再將所有路線的丟包情況進行排序，選擇出丟包情況最優(yōu)的2種路由方案，在本發(fā)明中也即唯一的兩條。
[0030](5)最后，從兩個支路ACB和ADB將編碼完成的子數(shù)據(jù)包發(fā)往接收端B點。在接收端，對兩個子數(shù)據(jù)包分別進行LT譯碼。用最大似然法(即高斯消元法)解碼最先到達的2支信息流，本發(fā)明在實現(xiàn)的過程中采用了“平均分布編碼+高斯消元法譯碼”；
(6)將經(jīng)過編譯的支信號流按原分割方案進行重組；
(7)對重組信息流進行最大似然解碼法編譯，得到原始數(shù)據(jù)流，完成了對原始數(shù)據(jù)的正確完整編譯。
[0031]在以上過程中，LT碼的碼率可以無限小，接近于零。這樣即使信道遭受嚴重損壞導(dǎo)致數(shù)據(jù)大幅丟失，也依然可以保證接收端能夠譯碼。這一特性是繼承了噴泉碼的譯碼優(yōu)越性。但是考慮到LT譯碼的復(fù)雜性和系統(tǒng)性能功耗，可以根據(jù)對于信道情況的預(yù)估，調(diào)整相應(yīng)的碼率，在盡量減少系統(tǒng)功耗的情況下保證LT成功譯碼。LT成功譯碼對于整體譯碼具有重要作用。
[0032]將傳輸信道模型復(fù)雜化，如圖4是一個具有10個網(wǎng)絡(luò)節(jié)點的模型。點I和點10分別為發(fā)送端和接收端，其它的中間節(jié)點都是潛在的竊聽者。
[0033]在這個復(fù)雜的模型中，假設(shè)一共分類出η個子數(shù)據(jù)包，從η條支路發(fā)送，n〈L。為了盡量減少因信道堵塞而引起的延遲，提高傳輸效率，預(yù)編碼碼率可以更加小，這樣在接收端不需要接收到所有η個子數(shù)據(jù)包就可以進行譯碼，即設(shè)置n>L。至此，接收端可以對發(fā)送端發(fā)送通知，讓其停止發(fā)送當前數(shù)據(jù)包，開始發(fā)送下一個數(shù)據(jù)包。
[0034]在這種情況下，雖然每個支路的數(shù)據(jù)包能保證不被任一中間節(jié)點解碼出原始數(shù)據(jù)，但如果某個竊聽者截獲多個子數(shù)據(jù)包，則有可能得到足夠多的數(shù)據(jù)來解譯原數(shù)據(jù)。為保證網(wǎng)絡(luò)中的每個數(shù)據(jù)節(jié)點，不能有機會接觸足夠多個子數(shù)據(jù)包。
[0035]對于路由方案的確定，根據(jù)事先掌握網(wǎng)絡(luò)中各節(jié)點的位置和信道情況，在發(fā)送數(shù)據(jù)前確定好發(fā)送路徑，保證所經(jīng)過的每個中轉(zhuǎn)節(jié)點只會接手到有限個子數(shù)據(jù)包。這種關(guān)于網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計和預(yù)估，可以是周期性的，周期越短，發(fā)送效率越高，處理機也就越復(fù)雜。
[0036]使用該算法編譯的數(shù)據(jù)在進行傳輸時，配合特定的路由方案可以100%保證信息不被第三方竊聽，達到了信息傳輸?shù)慕^對安全；同時，由于采用噴泉碼作為編碼基礎(chǔ)，可以保證譯碼方的正確譯碼。
[0037]圖5為用Matlab軟件制作模型的運行結(jié)果。該模型中，最少3個子數(shù)據(jù)包就可以還原出原始數(shù)據(jù)，設(shè)定需要路徑為5條以便選取最先到達的3個子數(shù)據(jù)包，提高譯碼效率和性能。如圖5，網(wǎng)絡(luò)結(jié)點一共有10個，點I和點10分別表示發(fā)送端和接收端。根據(jù)各個鏈路的擦除信道以及各結(jié)點的地理位置，最終確定了 5條路徑，由運行結(jié)果可見，排名最優(yōu)的路徑開銷最小，但是受到信道擦除概率的影響，物理距離最短的并不一定是最優(yōu)路徑。
[0038]圖6展示的是優(yōu)化后的路由方案。這種方案對落在虛線外的網(wǎng)絡(luò)節(jié)點采取屏蔽措施，只考慮地理位置處于發(fā)送端和接收端之間的結(jié)點，從而提高了計算路由方案時的效率，避免了對于較遠網(wǎng)絡(luò)結(jié)點的考慮。
[0039]以上運行結(jié)果表示出本發(fā)明對于數(shù)據(jù)完整傳輸處理過程的優(yōu)越性和可靠性。由圖可見，開銷控制在10%左右，最優(yōu)時可達1%以內(nèi)，非常高效?？梢?，發(fā)送端在對網(wǎng)絡(luò)情況進行估計后，可以對整個編譯碼方案進行綜合平衡，在保證可譯碼性和完整性的同時，快速地將數(shù)據(jù)絕對可靠地傳輸給目標地址。
【權(quán)利要求】
1.一種二進制刪除信道下的噴泉碼方法，其特征在于，其步驟如下: (1)對原始數(shù)據(jù)流使用分組碼進行預(yù)編碼操作，c=dG;其中，C為預(yù)編碼數(shù)據(jù)包，d為原始數(shù)據(jù)包，G為生成矩陣，在預(yù)編碼時選用密度為0.2的稀疏矩陣作為生成矩陣來獲得預(yù)編碼數(shù)據(jù)；生成矩陣是由眾多小稀疏矩陣構(gòu)成，然后按行與列分別進行洗牌而得到的； (2)將預(yù)編碼后得到的數(shù)據(jù)流進行分割處理，按需要分成數(shù)個支信息流； (3)對每個支信息流按LT碼的定義進行編碼，LT編碼時“度”Ω參數(shù)的選取范圍是I<Ω〈 K;其中，K為原始數(shù)據(jù)包長度； (4)按預(yù)先制定好的路由方案發(fā)送各支路信息流； (5)在譯碼端用高斯消元法也即最大似然法解碼最先到達的支信息流，d’=c’/G’，其中，c’為接收到的數(shù)據(jù)包，d’為LT編碼前的數(shù)據(jù)包，G’為LT編碼生成矩陣； (6)將經(jīng)過編譯的各路支信號流按原分割方案進行重組； (7)對重組后的信息流進行最大似然解碼法編譯，得到原始數(shù)據(jù)流，完成了對原始數(shù)據(jù)的正確完整編譯。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二進制刪除信道下的噴泉碼方法，其特征在于:步驟(3)中，“度” Ω的選取范圍是I〈 Ω〈 6。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的二進制刪除信道下的噴泉碼方法，其特征在于:步驟(4)所制定的路由方案考慮每段路徑的擦除信道概率，保證在物理距離最短且丟包現(xiàn)象避免得最好，具體的路由方案如下: (1)根據(jù)每一段路徑的長短，為其相關(guān)一個模擬的擦除信道概率Pi=di/d總；其中，Pi是該段路徑的擦除概率，di為該路徑的長度，d總為收端到發(fā)端的直線距離； (2)將網(wǎng)絡(luò)中檢測到的處于收端和發(fā)端之間的節(jié)點位置，計算所有可能的路徑； (3)為所有這些路徑計算丟包率；即:將第一步所得到的擦除信道概率應(yīng)用到每段路徑中去，計算采用每種可能的路線時的丟包情況；將所有路線的丟包情況進行排序，選擇丟包情況最優(yōu)的前幾種方案。
【文檔編號】H04L1/18GK103888225SQ201410154586
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月17日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月17日
【發(fā)明者】李婧婧 申請人:李婧婧