一种二进制删除信道下的喷泉码方法技术

本发明专利技术是一种二进制删除信道下的喷泉码方法：它对原始数据流进行基础LT码预编码；将编码数据流进行分割处理，按需要分成数个支信息流；对每个支信息流进行基础LT码编码；按预先制定好的路由方案发送各支路信息流；在译码端用最大似然法解码最先到达的支信息流；将经过编译的支信号流按原分割方案进行重组；对重组信息流进行最大似然解码法编译，得到原始数据流，完成了对原始数据的正确完整编译。其方法设计合理，它能基本达到信息传输时机密性、完整性、可用性，也可以保证译码方的正确译码。本发明专利技术为信息的安全传输奠定了基础，对编码理论、网络信息安全架构建设具有重大意义。

Fountain code method under binary erasure channel

The present invention relates to a binary erasure channel fountain codes method: original data stream based on LT code pre encoding; the encoding of the data stream segmentation, according to the needs of information flow is divided into several branches; based on LT codes encoding each branch of information flow; according to the pre established good send routing scheme of each branch the flow of information; information with a maximum likelihood decoding the first arrival of the flow at the decoder; after the signals compile flow reorganization according to the original segmentation scheme; compile the maximum likelihood decoding method for the restructuring of the flow of information, get the original data stream, completed correctly on the original data compilation. Its design is reasonable, it can basically achieve confidentiality, integrity and availability of information transmission, and also ensure the correct decoding of the decoder. The invention lays a foundation for the secure transmission of information, and is of great significance to the coding theory and the construction of the network information security framework.

【技术实现步骤摘要】
一种二进制删除信道下的喷泉码方法
本专利技术属于编码领域，具体地说是涉及一种改进的二进制删除信道下喷泉码的编译码方法。
技术介绍
随着互联网及其应用的快速发展，近年来政府、军事以及民用信息的安全传递越发重要。安全信息传输要求信息安全三要素--机密性、完整性和可用性之间相互平衡，达到网络资源的最佳分配，提供必要的网络弹性。网络的弹性通常经由网络节点、链路的冗余，信息重新传输，数据的复制，多样性来实现，需要牺牲某些资源来达到最佳网络弹性，使得网络在受到自然影响、不确定干扰、甚至蓄意破坏的情况下仍能维持一定质量的服务，同时完成信息安全三要素之间的平衡。如何通过对信息进行加密编码，使之在无线或有线网络信道受到潜在窃听、信道损坏、信道不稳定的情况下中进行安全传输，已成为近年来的热门研究课题。目前，已有多种编码手段已得到了理论证明和实验考证，实现了一定程度上信息安全的保障。例如，参考文献题目为ProtectingNetworkCodedPacketsinCoalitionNetworks（该文作者是：SoonY.Oh和MarioGerla，洛杉矶加利福尼亚大学计算机科学学院，2010年出版在WirelessOn-demandNetworkSystemsandServices(WONS),2010SeventhInternationalConference），文献阐述了如何利用网络编码实现对传输过程中各节点的控制，在网络节点不可信任度高达50%、并且信道因遭受不稳定、损坏和堵塞而产生错误传输的严峻情况下提高正确传输成功率；参考文献题目为WirelessInformation-TheoreticSecurity（该文作者是：MatthieuBloch，JoãoBarros，MiguelR.D.Rodrigues和StevenW.McLaughlin，2008年出版在期刊：IEEETransactionsonInformationTheory），文中提出了根据衰减信道震荡情况产生密钥，在传统通讯系统中添加一层新的加密层，使得单方向数据传输可以在准静态无线信道中得到安全保证，虽然此法可以在很大的SNR范围内提供绝对安全传输，但其算法繁复、对存储的要求非常高；参考文献题目为SecrecyandReliabilityUsingRaptorCodesinthePresenceofaWiretapperinMultiplePathWirelessNetwork，（该文作者是：AnnaKacewicz和StephenB.Wicker，2009年出版在IEEE）,根据信道的擦除概率和所用LT编码数据，计算出可纠正的擦出概率，从而制定相应的路由方案；参考文献题目为RaptorCodes（该文作者是：AminShokrollahiandMichaelLuby，2009年发表于FoundationsandTrendsinCommunicationsandInformationTheory）中，对喷泉码及其应用进行了详尽的介绍。TCP/IP采用重传机制来保证传输的可靠性，但在严重损坏的信道上进行传输（质量很差的无线或卫星链路）或传输距离太长的时候其性能很差，因为将导致发送方等待反馈确认信息时的空闲时间长。另外，当接收者数量很多时，也不太可能估计每个信道的删除概率和丢包情况。数字喷泉码——LT码是Luby于2002年提出的，主要针对大规模数据分发和可靠广播的应用特点而提出的一种理想的解决方案。LT码生成的编码包中有少量连接度很高的包，这些包的作用主要是保证对所有数据包的良好覆盖，从而保证译码的完整性，然而这些高连接度数据包的存在,消耗了很多编译码异或操作，同时也降低了低连接度数据包的比例，从而减小了译码过程中可译集的大小，降低了译码成功率。为了代替高连接度数据包完成对数据的良好覆盖,有效地提高译码成功率并降低编译码复杂度，Shokrollahi提出了Raptor码。Raptor码采用两步编码的方式：第一步，对原始信息用一个分组码进行预编码，然后采用一个弱化的LT码对数据进行编码并发送。Raptor码同时使用高连接度和低连接度的编码数据包，完成对数据的良好覆盖，有效地提高译码成功率，同时降低了编译码复杂度。在Raptor编码中，弱化的LT码是指它生成的编码包没有高连接度包，无法完全译出原始数据。Raptor码译码时，首先用BP算法对数据进行正常译码。由于弱化LT码能以很高的概率恢复出绝大多数的数据包，因此剩下未被译码的数据包所占的比例就被控制在一个很小的范围以内，这些未被译码的数据不再通过高连接度的编码包来保证覆盖和恢复，而是利用预编码的纠错能力进行恢复。通过联合优化弱化LT码和预编码的码率和参数，Raptor可以获得更低的编译码复杂度，而在相同译码开销下能实现更高的译码成功率。Raptor解决了基于重传机制的TCP/IP在应用过程中所遇到的问题,但是Raptor对于信息的安全性保障存在缺陷。根据其设计原理，任意接收端或窃听者只要截获足够数量的数据包，即可解码数据窃取信息。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供了一种改进了的二进制删除信道下的喷泉码方法；该方示在保持译码可靠性的条件下，获得提高编码效率、降低译码复杂度的信道编码策略。本专利技术所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本专利技术是一种二进制删除信道下的喷泉码方法，其特点是，其步骤如下：（1）对原始数据流使用分组码进行预编码操作，c=dG；其中，c为预编码数据包，d为原始数据包，G为生成矩阵，在预编码时选用密度为0.2的稀疏矩阵作为生成矩阵来获得预编码数据；生成矩阵是由众多小稀疏矩阵构成，然后按行与列分别进行洗牌而得到的；（2）将预编码后得到的数据流进行分割处理，按需要分成数个支信息流；（3）对每个支信息流按LT码的定义进行编码，LT编码时“度”Ω参数的选取范围是1<Ω<K；其中，K为原始数据包长度；（4）按预先制定好的路由方案发送各支路信息流；（5）在译码端用高斯消元法也即最大似然法解码最先到达的支信息流，d’=c’/G’，其中，c’为接收到的数据包，d’为LT编码前的数据包，G’为LT编码生成矩阵；（6）将经过编译的各路支信号流按原分割方案进行重组；（7）对重组后的信息流进行最大似然解码法编译，得到原始数据流，完成了对原始数据的正确完整编译。本专利技术所述的二进制删除信道下的喷泉码方法的步骤（3）中，“度”Ω的优选范围是1<Ω<6。这样可以提高译码效率。本专利技术所述的二进制删除信道下的喷泉码方法中：步骤（4）所制定的路由方案考虑每段路径的擦除信道概率，保证在物理距离最短且丢包现象避免得最好，优选的路由方案如下：（1）根据每一段路径的长短，为其相关一个模拟的擦除信道概率Pi=di/d总；其中，Pi是该段路径的擦除概率，di为该路径的长度，d总为收端到发端的直线距离；注意，这里假设的擦除信道是一个根据实际路径长度得到的简单估计，真实的网络布局中，每段路径的擦除概率是不一定的，并且会是事实变动的，所以应该配备更加灵活的路由方案；（2）将网络中检测到的处于收端和发端之间的节点位置，计算所有可能的路径；这种计算方法属于列举法，比如：只跳一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种二进制删除信道下的喷泉码方法，其特征在于，其步骤如下：（1）对原始数据流使用分组码进行预编码操作，c=dG；其中，c为预编码数据包，d为原始数据包，G为生成矩阵，在预编码时选用密度为0.2的稀疏矩阵作为生成矩阵来获得预编码数据；生成矩阵是由众多小稀疏矩阵构成，然后按行与列分别进行洗牌而得到的；（2）将预编码后得到的数据流进行分割处理，按需要分成数个支信息流；（3）对每个支信息流按LT码的定义进行编码，LT编码时“度”Ω参数的选取范围是1 < Ω < K；其中，K为原始数据包长度；（4）按预先制定好的路由方案发送各支路信息流；（5）在译码端用高斯消元法也即最大似然法解码最先到达的支信息流，d’ =c’/G’，其中，c’为接收到的数据包，d’为LT编码前的数据包， G’为LT编码生成矩阵；（6）将经过编译的各路支信号流按原分割方案进行重组；（7）对重组后的信息流进行最大似然解码法编译，得到原始数据流，完成了对原始数据的正确完整编译；步骤（4）所制定的路由方案考虑每段路径的擦除信道概率，保证在物理距离最短且丢包现象避免得最好，具体的路由方案如下：（1）根据每一段路径的长短，为其相关一个模拟的擦除信道概率Pi=di/d总；其中，Pi是该段路径的擦除概率，di为该路径的长度，d总为收端到发端的直线距离；（2）将网络中检测到的处于收端和发端之间的节点位置，计算所有可能的路径；（3）为所有这些路径计算丢包率；即：将第一步所得到的擦除信道概率应用到每段路径中去，计算采用每种可能的路线时的丢包情况；将所有路线的丢包情况进行排序，选择丢包情况最优的前几种方案。...

【技术特征摘要】
1.一种二进制删除信道下的喷泉码方法，其特征在于，其步骤如下：（1）对原始数据流使用分组码进行预编码操作，c=dG；其中，c为预编码数据包，d为原始数据包，G为生成矩阵，在预编码时选用密度为0.2的稀疏矩阵作为生成矩阵来获得预编码数据；生成矩阵是由众多小稀疏矩阵构成，然后按行与列分别进行洗牌而得到的；（2）将预编码后得到的数据流进行分割处理，按需要分成数个支信息流；（3）对每个支信息流按LT码的定义进行编码，LT编码时“度”Ω参数的选取范围是1<Ω<K；其中，K为原始数据包长度；（4）按预先制定好的路由方案发送各支路信息流；（5）在译码端用高斯消元法也即最大似然法解码最先到达的支信息流，d’=c’/G’，其中，c’为接收到的数据包，d’为LT编码前的数据包，G’为LT编码生成矩阵；（6）将经过编译的各路支信号流按原分割方案进...

【专利技术属性】
技术研发人员：李存华，李婧婧，
申请(专利权)人：淮海工学院，
类型：发明
国别省市：江苏,32