本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)編解碼領(lǐng)域，特別涉及一種抗復(fù)雜干擾的網(wǎng)絡(luò)流信標(biāo)編解碼方法。

背景技術(shù)：

1、隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)安全越來越成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)，對(duì)于網(wǎng)絡(luò)攻擊行為的追蹤溯源也成為研究的熱點(diǎn)。主動(dòng)網(wǎng)絡(luò)流水印技術(shù)通過嵌入獨(dú)特的信息標(biāo)識(shí)來跟蹤網(wǎng)絡(luò)流量，這種技術(shù)在網(wǎng)絡(luò)安全、追蹤非法信息傳播等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。其中，基于包間延遲的水印嵌入是一種通過調(diào)整數(shù)據(jù)包的發(fā)送時(shí)間間隔（包間延遲）來嵌入信息標(biāo)識(shí)的技術(shù)。發(fā)送端通過增加或減少包間延遲表示二進(jìn)制“0”或“1”，并通過控制發(fā)送時(shí)間來嵌入信標(biāo)。接收方通過監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)包的到達(dá)時(shí)間，測(cè)量相鄰數(shù)據(jù)包之間的延遲來提取發(fā)送的二進(jìn)制序列，并根據(jù)預(yù)設(shè)的解碼規(guī)則定位信標(biāo)的開始位置并還原嵌入的信標(biāo)。由于水印通過時(shí)序嵌入，不修改數(shù)據(jù)包的內(nèi)容，常規(guī)的網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控工具很難直接檢測(cè)到嵌入的水印信息，因此這種方法具有良好的隱蔽性。然而，此技術(shù)依賴于較好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，一旦出現(xiàn)數(shù)據(jù)包亂序、丟包或網(wǎng)絡(luò)抖動(dòng)便會(huì)擾亂原本設(shè)計(jì)好的包間時(shí)間間隔，導(dǎo)致信標(biāo)傳輸存在插入、刪除的同步丟失和替換的傳輸錯(cuò)誤，具體表現(xiàn)為檢測(cè)到的水印信息出現(xiàn)比特插入、刪除、翻轉(zhuǎn)，接收端無法正確還原信息。

2、傳統(tǒng)的糾錯(cuò)編碼技術(shù)在應(yīng)對(duì)比特替換錯(cuò)誤時(shí)已經(jīng)非常成熟，但在可能出現(xiàn)插入、刪除、替換錯(cuò)誤的信道條件下卻不再適用。因此，開發(fā)一種具有強(qiáng)魯棒性和高抗干擾能力的編碼和解碼技術(shù)來保證信標(biāo)的可靠傳輸變得尤為重要。這種技術(shù)不僅要能適應(yīng)復(fù)雜多變的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，還需在數(shù)據(jù)完整性和準(zhǔn)確性方面提供可靠保障，為信標(biāo)的穩(wěn)定傳輸?shù)於▓?jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：本發(fā)明的目的是提供一種抗復(fù)雜干擾的網(wǎng)絡(luò)流信標(biāo)編解碼方法，通過重復(fù)發(fā)送提高了前向后向算法同步數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，有效應(yīng)對(duì)了在傳輸信道上易發(fā)生的干擾錯(cuò)誤，如同步丟失和延遲抖動(dòng)等，該方法為在加密網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)基于信標(biāo)的追蹤溯源提供了可靠的解決方案。

2、技術(shù)方案：本發(fā)明所述的一種抗復(fù)雜干擾的網(wǎng)絡(luò)流信標(biāo)編碼方法，包括編碼方法和解碼方法，其中所述編碼方法包括如下步驟：

3、步驟1-1，基于待編碼數(shù)據(jù)a生成待低密度奇偶校驗(yàn)ldpc編碼的數(shù)據(jù)[acm1]；

4、步驟1-2，將數(shù)據(jù)[acm1]經(jīng)過ldpc編碼處理，數(shù)據(jù)模式變?yōu)閿?shù)據(jù)[acd]；

5、步驟1-3，在數(shù)據(jù)[acd]中插入已知標(biāo)記碼和間隔標(biāo)記碼，得到編碼段；

6、步驟1-4，將所述編碼段不斷重復(fù)形成源源不斷的碼流x；

7、所述解碼方法包括如下步驟：

8、步驟2-1，接收端利用相關(guān)性檢測(cè)結(jié)束同步碼，找到結(jié)束同步碼后反向向前檢測(cè)開始同步碼，如果直到碼流結(jié)束仍未檢測(cè)到成對(duì)的同步碼，則解碼失敗，不做任何輸出；

9、步驟2-2，檢測(cè)到開始同步碼和結(jié)束同步碼后，提取碼段進(jìn)行解碼，內(nèi)解碼器（最大后驗(yàn)概率map檢測(cè)器，引自wang,?feng,?dario?fertonani,?and?tolga?m.?duman.?"symbol-level?synchronization?and?ldpc?code?design?for?insertion/deletionchannels."?ieee?transactions?on?communications?59.5?(2011):?1287-1297）結(jié)合前向后向算法和碼段的重復(fù)性生成更加準(zhǔn)確的初始對(duì)數(shù)似然比llr信息并送入外解碼器；

10、步驟2-3，外解碼器（ldpc解碼器）進(jìn)行解碼并與內(nèi)解碼器迭代，直到達(dá)到最大迭代次數(shù)ni（ni一般取3），得到解碼結(jié)果，驗(yàn)證解碼結(jié)果的正確性，如果解碼結(jié)果能夠通過循環(huán)冗余校驗(yàn)crc，則解碼成功，輸出解碼結(jié)果的前個(gè)比特；

11、步驟2-4，如果譯碼結(jié)果不能通過循環(huán)冗余校驗(yàn)crc，則根據(jù)運(yùn)行前向后向算法的結(jié)果調(diào)整碼段的開始和結(jié)束位置，并再次譯碼，得到解碼結(jié)果，如果解碼結(jié)果能夠通過循環(huán)冗余校驗(yàn)crc，則解碼成功，?輸出解碼結(jié)果的前個(gè)比特；

12、步驟2-5，如果結(jié)果仍不正確，則將碼段的開始位置右滑t個(gè)比特、結(jié)束位置左滑t個(gè)比特，并再次譯碼，得到解碼結(jié)果，如果解碼結(jié)果能夠通過循環(huán)冗余校驗(yàn)crc，則解碼成功，輸出解碼結(jié)果的前個(gè)比特；如果解碼結(jié)果仍錯(cuò)誤則繼續(xù)向后尋找開始同步碼和結(jié)束同步碼，并重復(fù)步驟2-2~2-5再次解碼，如果直到碼流結(jié)束仍未得到能夠通過循環(huán)冗余校驗(yàn)crc的解碼結(jié)果，則解碼失敗，不做任何輸出。

13、步驟1-1中，將長(zhǎng)度為的待編碼數(shù)據(jù)a進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)crc編碼生成長(zhǎng)度為的校驗(yàn)信息c，將待編碼數(shù)據(jù)a與校驗(yàn)信息c相連接后形成二進(jìn)制序列，在二進(jìn)制序列末尾添加長(zhǎng)度為的已知標(biāo)記碼序列，生成待低密度奇偶校驗(yàn)ldpc編碼的數(shù)據(jù)[acm1]；

14、步驟1-2中，數(shù)據(jù)[acm1]經(jīng)過ldpc編碼后生成長(zhǎng)度為l2的編碼結(jié)果[acm1d]，其中d為經(jīng)過ldpc編碼生成的校驗(yàn)信息，編碼后剔除已知標(biāo)記碼序列m1，此時(shí)數(shù)據(jù)模式變?yōu)閿?shù)據(jù)[acd]，數(shù)據(jù)長(zhǎng)度變?yōu)?，?/p>

15、步驟1-3中，將數(shù)據(jù)[acd]形成的序列記為b={b1，b2，…，}，其中表示序列b的第個(gè)比特，在序列b中每隔q個(gè)比特插入已知標(biāo)記碼m2，最后在序列b末尾插入間隔標(biāo)記碼m3，形成長(zhǎng)度為的編碼段[b(1:q)?m2b(q+1:2q)?m2...b（）m2?m3]，其中b(1:q)表示序列b的第1到q個(gè)比特；指從；

16、步驟1-4中，將長(zhǎng)度為的編碼段重復(fù)（一般取4）次，在開頭插入由個(gè)比特0和序列{1，1，1，0，1}構(gòu)成的開始同步碼，在結(jié)尾插入由個(gè)比特1和序列{0，1，0，0，0}構(gòu)成的結(jié)束同步碼；同步碼s1和s2的長(zhǎng)度均為s，此時(shí)碼段長(zhǎng)度擴(kuò)展為，將碼段不斷重復(fù)形成源源不斷的碼流x。

17、步驟2-1包含以下步驟：

18、步驟2-1-1，在接收端創(chuàng)建一個(gè)大小為s（s一般取80）的滑動(dòng)窗口，發(fā)送方發(fā)送的碼流x經(jīng)過信道干擾后形成碼流z，從接收到的碼流z的開始位置進(jìn)行接收序列與結(jié)束同步碼s2的相關(guān)性檢測(cè)，每一個(gè)位置m處的相關(guān)值為：

19、

20、其中表示碼流z的第個(gè)比特；

21、步驟2-1-2，如果相關(guān)值在某一個(gè)位置超過預(yù)先設(shè)定的閾值p（p一般取50），則記錄所述位置，在所有記錄下的位置中，選擇相關(guān)值最大的位置為結(jié)束同步碼的起始位置d2；

22、步驟2-1-3，從位置d2開始反向向前檢測(cè)開始同步碼，為了檢測(cè)到開始同步碼的結(jié)束位置，取碼流z的前d2個(gè)比特形成待檢測(cè)序列z1=，其中表示碼流z的第個(gè)比特，將待檢測(cè)序列z1倒序，倒序后形成序列z2=，進(jìn)行開始同步碼s1與序列z2的相關(guān)性檢測(cè)，按照步驟2-1-2中的方法得到位置，則開始同步碼的結(jié)束位置在接收序列中為，記為；

23、步驟2-1-4，如果未找到開始同步碼，則從位置d2開始，按照步驟2-1-1~步驟2-1-3向后繼續(xù)尋找成對(duì)的開始同步碼和結(jié)束同步碼；

24、步驟2-1-5，如果直到碼流結(jié)束都未能檢測(cè)到成對(duì)的開始同步碼和結(jié)束同步碼，則此次解碼失敗，不做任何輸出。

25、步驟2-2包括以下步驟：

26、步驟2-2-1，檢測(cè)到開始同步碼和結(jié)束同步碼后，提取開始同步碼和結(jié)束同步碼之間的碼段，其中表示碼流z的第個(gè)比特，為方便表示，將碼段z記為碼段，碼段長(zhǎng)度記為，即為；使用表示信道的插入概率，為刪除概率，為翻轉(zhuǎn)概率，為未發(fā)生插入和刪除的概率，；

27、步驟2-2-2，初始化前向概率?，初始化后向概率對(duì)于碼段中的非標(biāo)記碼位置，初始化非標(biāo)記碼位置的先驗(yàn)信息為p（x=0）=0.5和p(x=1)?=0.5，其中x表示發(fā)送方發(fā)送的每一個(gè)比特，p（x=0）表示比特為0的概率，p（x=1）表示比特為1的概率；對(duì)于標(biāo)記碼位置，由于內(nèi)解碼器知道其值，因此其先驗(yàn)信息完全準(zhǔn)確；

28、步驟2-2-3，開始進(jìn)行前向計(jì)算，表示發(fā)送端發(fā)送k個(gè)比特、經(jīng)過信道后接收端接收到n個(gè)比特且觀測(cè)到前n-1個(gè)比特的概率，通過如下公式計(jì)算：

29、

30、

31、其中，表示發(fā)送的第k個(gè)比特，表示發(fā)送的第k個(gè)比特的取值概率；

32、函數(shù)公式為：

33、

34、運(yùn)行前向計(jì)算直到；

35、步驟2-2-4，開始進(jìn)行后向計(jì)算，?表示發(fā)送端發(fā)送k個(gè)比特、經(jīng)過信道后接收端接收到n個(gè)比特且觀測(cè)到第n+1到第個(gè)比特的概率，通過如下公式計(jì)算：

36、

37、

38、運(yùn)行后向計(jì)算直到；

39、步驟2-2-5，根據(jù)前向計(jì)算和后向計(jì)算的結(jié)果，計(jì)算每個(gè)位置的條件概率：

40、

41、其中表示在已知取值條件下在接收端觀察到碼段y的第1到個(gè)比特的概率；

42、然后得到組條件概率信息，其中每組包含和，表示時(shí)觀察到碼段y的第1到個(gè)比特的概率，表示時(shí)觀察到碼段y的第1到個(gè)比特的概率；

43、步驟2-2-6，將條件概率信息分割為段，每段包含組信息，對(duì)于每個(gè)非標(biāo)記碼位置，計(jì)算對(duì)數(shù)似然比信息llr，對(duì)于標(biāo)記碼位置，則跳過不計(jì)算對(duì)數(shù)似然比信息llr；計(jì)算結(jié)束后得到無標(biāo)記碼位置的對(duì)數(shù)似然比信息llr序列；

44、步驟2-2-7，內(nèi)解碼器能夠得到進(jìn)行l(wèi)dpc編碼前嵌入的標(biāo)記碼序列m1的值和位置，對(duì)于標(biāo)記碼序列m1的每一個(gè)比特，如果為比特0，則初始化所述比特對(duì)應(yīng)的對(duì)數(shù)似然比信息llr值為h（h一般取15），如果為比特1，則初始化對(duì)數(shù)似然比信息llr為-h，將標(biāo)記碼序列m1的對(duì)數(shù)似然比信息llr嵌入到步驟2-2-6中形成的對(duì)數(shù)似然比信息llr序列的對(duì)應(yīng)位置，即插入在第個(gè)位置后，形成完整的對(duì)數(shù)似然比信息llr序列；

45、步驟2-2-8，將完整的對(duì)數(shù)似然比信息llr序列送入ldpc解碼器，等待ldpc解碼器更新每個(gè)比特的先驗(yàn)信息，利用更新后的先驗(yàn)信息再次重復(fù)步驟2-2-2~步驟2-2-8，直到達(dá)到內(nèi)外解碼器的最大迭代次數(shù)。

46、步驟2-2-6中，采用如下公式計(jì)算對(duì)數(shù)似然比信息llr：

47、?+?+…+??

48、其中，表示條件概率信息的第一段中第k個(gè)位置，表示條件概率信息的第二段中第k個(gè)位置表示條件概率信息的第段中第k個(gè)位置，表示第段中第k個(gè)位置的比特為0時(shí)觀察到碼段y的第1到個(gè)比特的概率。

49、步驟2-3包括以下步驟：

50、步驟2-3-1，ldpc解碼器接收來自內(nèi)解碼器的對(duì)數(shù)似然比信息llr序列并開始解碼，解碼完成后更新每個(gè)比特的先驗(yàn)概率并送入內(nèi)解碼器，等待內(nèi)解碼器更新初始對(duì)數(shù)似然比信息，利用內(nèi)解碼器更新的初始對(duì)數(shù)似然比信息再次進(jìn)行l(wèi)dpc解碼并更新每個(gè)比特的先驗(yàn)概率，直到達(dá)到最大迭代次數(shù)；

51、步驟2-3-2，達(dá)到最大迭代次數(shù)后，對(duì)解碼結(jié)果進(jìn)行循環(huán)冗余校驗(yàn)crc；

52、步驟2-3-3，如果循環(huán)冗余校驗(yàn)crc通過，則解碼成功，輸出解碼結(jié)果的前個(gè)比特。

53、步驟2-4包括以下步驟：

54、步驟2-4-1，如果循環(huán)冗余校驗(yàn)crc不通過，則計(jì)算最后一次運(yùn)行前向后向算法時(shí)的和，其中表示取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的值，表示取最大值時(shí)對(duì)應(yīng)的值，將碼段的開始位置向右偏移比特，結(jié)束位置向左偏移比特；

55、步驟2-4-2，再次運(yùn)行內(nèi)外解碼器聯(lián)合迭代譯碼和校驗(yàn)的過程，即步驟2-2-2至步驟2-3-3。

56、步驟2-5包括以下步驟：

57、步驟2-5-1，如果步驟2-4-2中循環(huán)冗余校驗(yàn)crc不通過，則將碼段的開始位置向右滑動(dòng)t個(gè)比特，將結(jié)束位置向左滑t個(gè)比特，重復(fù)步驟2-2-2至步驟2-3-3；

58、步驟2-5-2，如果循環(huán)冗余校驗(yàn)crc仍不通過，則在結(jié)束同步碼的位置開始向后繼續(xù)檢測(cè)下一個(gè)開始同步碼和結(jié)束同步碼，并重復(fù)步驟2-2-1~步驟2-5-2解碼過程，如果直到碼流結(jié)束仍無法得到通過循環(huán)冗余校驗(yàn)crc的解碼結(jié)果，則解碼失敗。

59、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)介質(zhì)，其上存儲(chǔ)有計(jì)算機(jī)程序，該計(jì)算機(jī)程序被處理器執(zhí)行時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的方法的步驟。

60、本發(fā)明還提供了一種計(jì)算機(jī)設(shè)備，包括儲(chǔ)存器、處理器及存儲(chǔ)在存儲(chǔ)器上并可在處理器上運(yùn)行的計(jì)算機(jī)程序，所述處理器執(zhí)行所述計(jì)算機(jī)程序時(shí)實(shí)現(xiàn)所述的方法的步驟。

61、本發(fā)明提出了一種可以在較差信道環(huán)境下編碼和解碼信標(biāo)的方法，利用前向后向算法糾正因數(shù)據(jù)包插入或刪除導(dǎo)致的比特插入或刪除錯(cuò)誤，然后利用ldpc解碼器解決因隨機(jī)抖動(dòng)導(dǎo)致的比特翻轉(zhuǎn)錯(cuò)誤，最終還原出原始的信標(biāo)，但傳統(tǒng)的前向后向算法同步能力有限，在信道環(huán)境較差時(shí)的同步結(jié)果往往與真實(shí)結(jié)果差距較大，容易導(dǎo)致ldpc解碼器解碼出錯(cuò)。本發(fā)明通過重復(fù)發(fā)送ldpc編碼后的水印信息，提高了前向后向算法同步數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，從而提高解碼的正確率，最終正確還原出原始的水印信息。同時(shí)若初次譯碼結(jié)果不正確，則采用前向后向算法計(jì)算的結(jié)果重新定位碼段的開始和結(jié)束位置，在較差的信道環(huán)境下仍能夠?qū)⒋a段的開始和結(jié)束位置調(diào)整到正確位置。

62、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益效果：1、設(shè)計(jì)采用crc編碼作為內(nèi)碼，ldpc碼作為外碼的級(jí)聯(lián)編碼結(jié)構(gòu)，能夠有效應(yīng)對(duì)較差信道環(huán)境下的比特翻轉(zhuǎn)、替換、插入等干擾，采用重復(fù)發(fā)送的形式，提高了前向后向算法同步數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，為ldpc解碼提供了更加準(zhǔn)確的初始信息，ldpc碼糾正比特替換錯(cuò)誤并使用crc對(duì)解碼結(jié)果進(jìn)行校驗(yàn)，進(jìn)一步提高了數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃院涂垢蓴_能力；

63、2、如果譯碼結(jié)果無法通過crc校驗(yàn)，設(shè)計(jì)采用前向后向算法計(jì)算的結(jié)果重新定位碼段的開始和結(jié)束位置，在較差的信道環(huán)境下仍能夠?qū)⒋a段的開始和結(jié)束位置調(diào)整到正確位置，保持?jǐn)?shù)據(jù)傳輸?shù)姆€(wěn)定性。