一种远距离区域间地面站信源节点经卫星中继交换数据的安全性网络编码方法

摘要

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种远距离区域间地面站信源节点经卫星中继交换数据的安全性网络编码方法。本发明包括：对于任何一个包含N个地面站信源节点以及1个卫星中继节点的网络，采用TDMA技术，并且在一个时隙周期内，卫星中继节点的时隙位于N个地面站信源节点时隙之后，N为偶数；地面站信源节点将待交换的二进制数据信息按照上行链路数据包格式封装后存放到数据队列。本发明提出的安全性网络编码方法，不仅能够实现同一待交换数据组别中两个远距离区域间地面站信源节点的数据交换，而且能够更有效地做到对其它待交换数据组别中远距离区域内地面站信源节点信息的屏蔽，从而使得网络信息的安全性得到显著提高。

说明书

技术领域

本发明属于卫星通信技术领域，具体涉及一种远距离区域间地面站信源节点经卫星中继 交换数据的安全性网络编码方法。

背景技术

卫星通信是在地面微波中继通信和空间电子技术的基础上发展起来的，它是宇宙无线通 信的主要形式之一，也是微波通信发展的一种特殊形式。与其他通信方式相比，卫星通信具 有覆盖面广、通信容量大、通信距离远、不受地理条件限制、性能稳定可靠等优点，卫星本 身还具有独特的广播特性，组网灵活，易于实现多址链接，可以作为陆地移动通信的扩展、 延伸、补充和备用。由于卫星通信具有上述优点，因此它自诞生之日起便得到了迅速发展， 成为当今通信领域中最为重要的一种通信方式。

卫星中继网络是基于卫星通信原理，通过卫星作为中继节点实现不同通信覆盖范围内地 面站信源节点之间的信息交换。卫星中继网络能实现不同网络传输覆盖下地面站之间的信息 协作感知、采集、处理以及监测工作。卫星中继网络除地理勘探、信息协作、数据采集等民 事应用以外，还可应用于恶劣的战场环境，包括侦察敌情、监控兵力、装备和物资，判断生 物化学攻击等多方面用途。

卫星中继通信网络采用网络编码提高节点的能量效率，提高链路可靠性,增加网络吞吐 量。传统网络编码方法的原理如图1所示，即卫星中继节点将每两个需要数据交换的地面站信 源节点发送的二进制数据进行按位异或逻辑运算后，再由卫星中继节点按图2所示的下行链路 数据包格式封装后广播发送，地面站信源节点接收到卫星中继节点广播的数据包后，通过提 取自身组别中的数据并与自身数据进行异或逻辑运算，从而解码出对方地面站信源节点的数 据。

当网络中的地面站信源节点数目增多时，由于地面站信源节点间的信道环境因素影响， 使得每个地面站信源节点通过监听本身通信覆盖范围内其它地面站信源节点发送的数据信息 以及接收卫星中继节点广播的数据信息，可以解码出其它待交换数据组别中的另一个远距离 区域内地面站信源节点发送的数据信息，因而降低中继网络通信的安全性。本发明提出一种 卫星中继节点基于奇异值分解原理的安全性网络编码方法，可以有效完成每个待交换数据组 别中两个远距离区域间地面站信源节点间数据交换的同时，能够更好地屏蔽掉其它待交换数 据组别中远距离区域内地面站信源节点的信息，从而提高中继网络通信的安全性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种远距离区域间地面站信源节点经卫星中继交换数据的安全性 网络编码方法。

本发明的目的是这样实现的：

(1)对于任何一个包含N个地面站信源节点以及1个卫星中继节点的网络，采用TDMA 技术，并且在一个时隙周期内，卫星中继节点的时隙位于N个地面站信源节点时隙之后，N 为偶数；

(2)地面站信源节点将待交换的二进制数据信息按照上行链路数据包格式封装后存放到 数据队列；

(3)地面站信源节点在自身时隙内向卫星中继节点发送上行链路数据包；

(4)卫星中继节点根据接收到的上行链路数据包信息，构建原始信息矩阵；

(5)卫星中继节点根据原始信息矩阵及奇异值分解原理，生成每个待交换数据组别中二 进制数据信息的预处理向量；

(6)卫星中继节点根据原始信息矩阵，在保留正负号的前提下利用按位异或逻辑运算， 生成每个待交换数据组别的编码数据；

(7)利用步骤(5)所得的预处理向量以及步骤(6)所得的编码数据，构建卫星中继节 点的发送信息矩阵；

(8)卫星中继节点将发送信息矩阵信息按照下行链路数据包格式封装后存放到数据队 列；

(9)卫星中继节点在自身时隙内将下行链路数据包广播发送给各个地面站信源节点；

(10)地面站信源节点提取接收到的下行链路数据包信息，并将其还原成发送信息矩阵 形式；

(11)地面站信源节点将还原后的发送信息矩阵与自身的二进制数据进行相乘处理，所 乘结果经归一化，得到自身待交换数据组别的编码数据估计值；

(12)将步骤(11)所得的编码数据估计值与自身的二进制数据信息进行异或处理，得 到该待交换数据组别中另一个地面站信源节点的数据信息，数据交换过程结束。

本发明的有益效果在于：

由于地面站信源节点之间的信道环境因素影响，必然造成地面站信源节点通过上行链路 与卫星中继节点通信的同时，通信覆盖范围内的其它地面站信源节点能够监听到其发送的部 分数据信息，若使用传统网络编码方法，监听到其它待交换数据组别中一个地面站信源节点 的部分信息，就可译码出其所属的待交换数据组别中的另一个远距离区域内地面站信源节点 发送的部分数据信息，且译码的正确率等于监听的正确率，因此使得中继网络的安全性能降 低。本发明提出的安全性网络编码方法，不仅能够实现同一待交换数据组别中两个远距离区 域间地面站信源节点的数据交换，而且能够更有效地做到对其它待交换数据组别中远距离区 域内地面站信源节点信息的屏蔽，从而使得网络信息的安全性得到显著提高。

附图说明

图1为传统网络编码方法原理图。

图2为传统网络编码方法中下行链路数据包格式示意图。

图3为本发明的安全性网络编码方法总流程图。

图4为上行链路数据包格式示意图。

图5为地面站信源节点发送上行链路数据包的流程图。

图6为卫星中继节点构建原始信息矩阵流程图。

图7为卫星中继节点生成预处理向量流程图。

图8为卫星中继节点生成编码数据流程图。

图9为卫星中继节点构建发送信息矩阵流程图

图10为下行链路数据包格式示意图。

图11为卫星中继节点发送下行链路数据包的流程图

图12为地面站信源节点获得自身待交换数据组别的编码数据估计值流程图。

图13为地面站信源节点得到自身待交换数据组别中另一个地面站信源节点的数据信息的 流程图。

图14为具体实例的网络拓扑结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步描述：

以一个包含N(其中N为偶数)个地面站信源节点以及1个卫星中继节点的网络为具体实例， 结合附图对本发明进行详细的描述：

一个包含N个地面站信源节点以及1个卫星中继节点的网络中，节点1～节点N为N个地面站 信源节点，节点2i-1(其中i＝1,2....N/2)位于一个通信覆盖范围内；节点2i(其中 i＝1,2....N/2)位于另一个通信覆盖范围内。节点2i-1和节点2i(其中i＝1,2....N/2)为同一 待交换数据组别，由于两个通信覆盖范围相距遥远，因此需要通过卫星中继节点实现每个待 交换数据组别中两个地面站信源节点间的数据交换。

为了有效避免地面站信源节点与卫星中继节点通信时的数据碰撞，网络采用TDMA技术， 并且在一个时隙周期内，卫星中继节点的时隙位于N个地面站信源节点时隙之后，从而保证卫 星中继节点在自身时隙到来之前，能收到所有地面站信源节点发送来的待交换二进制数据信 息。

N个地面站信源节点将待交换的二进制数据信息按照图4所示的上行链路数据包格式进行 封装，封装后的上行链路数据包包括信源节点地址标识位、待交换数据组别标识位、数据长 度标识位以及待交换二进制数据信息，每个字段占用的比特数按具体网络规模以及通信负载 情况决定。此外，为了保证本方法可行，要求一个时隙周期内的上行链路数据包中的待交换 二进制数据信息线性无关，且数据长度的最大值要大于地面站信源节点总数-2。对于实际的 卫星中继网络而言，这个限制条件很容易满足。

各地面站信源节点发送上行链路数据包的流程如图5所示。每个地面站信源节点将待交换 的二进制数据信息按照上行链路数据包封装后存放到数据队列，如501所示。判断当前时间是 否是自己的时隙，如502所示。如果不是自己的时隙，继续等待；如果是自己的时隙，则将数 据队列中的上行链路数据包发送给卫星中继节点，如503所示。

卫星中继节点根据接收到的上行链路数据包信息，构建原始信息矩阵的流程图如图6所 示。卫星中继节点首先提取所有接收到的上行链路数据包的数据长度标识位信息，如601所 示，然后以最大的数据长度为基准，小于该基准的其它上行链路数据包的二进制数据信息要 用-1补齐到该基准数据长度，如602所示。接着按照待交换数据组别标识位信息的大小对所 有上行链路数据包进行排序，同一待交换数据组别中的两个上行链路数据包不分先后，如603 所示，提取所有上行链路数据包的待交换二进制数据信息，组成原始信息矩阵，如604所示。

卫星中继节点根据原始信息矩阵及奇异值分解原理，生成每个待交换数据组别中二进制 数据信息的预处理向量的流程图如图7所示。卫星中继节点依次将原始信息矩阵D中第2i-1列 和第2i列(其中i＝1,2....N/2)数据用全零代替，分别得到第i个剩余信息矩阵M_i，如701所 示。将剩余信息矩阵M_i分别进行奇异值分解得到U_i,S_i和V_i分解矩阵(其中i＝1,2....N/2)， 如702所示。选取U_i中的与S_i中零奇异值对应的左奇异向量作为第2i-1列和第2i列二进制数 据信息的预处理向量，如703所示。

卫星中继节点根据原始信息矩阵，在保留正负号的前提下利用按位异或逻辑运算，生成 每个待交换数据组别的编码数据的流程图如图8所示。如801所示，卫星中继节点分别将原始 信息矩阵D的第2i-1列和第2i列(其中i＝1,2....N/2)的数据在保留正负号的前提下进行按位 异或逻辑运算，分别得到每个待交换数据组别的编码数据R_i,。

卫星中继节点构建发送信息矩阵的流程图如图9所示。卫星中继节点按照式(1)将所得的 编码数据R_i乘以与之对应的预处理向量B_i的转置后求和。得到发送信息矩阵E。

$E=\underset{i=1}{\overset{N/2}{\Sigma }}{R}_i\times {B_i}^T---\left(1\right)$

卫星中继节点发送下行链路数据包的流程图如图11所示。卫星中继节点将发送信息矩阵E 的每列数据用分隔标识符分隔后按照图10所示的下行链路数据包格式封装后存放到数据队 列，如1101所示。判断当前时间是否是自己的时隙，如1102所示，如果不是自己的时隙，继 续等待；如果是自己的时隙，则将队列中的下行链路数据包广播发送给地面站信源节点，如 1103所示。

地面站信源节点收到卫星中继节点广播发送的下行链路数据包，将该数据包还原成发送 信息矩阵后，按照图12所示的流程得到自身待交换数据组别的编码数据估计值的。地面站信 源节点将还原后的发送信息矩阵与自己发送的上行链路数据包中的待交换二进制数据信息相 乘(若自身的二进制数据信息的数据长度小于发送信息矩阵的行数，不足的位数用-1补齐)， 如1201所示。将1201所得的数据进行归一化处理，即如果所得的数据信息中第一个数据为负， 则将所有数据乘以-1后，在保留正负号的前提下将非零数据当1，为零数据当0；如果所得的 数据信息中第一个数据为正，则在保留正负号的前提下将非零数据当1，为零数据当0，如1202 所示，从而地面站信源节点得到自身待交换数据组别的编码数据估计值。

地面站信源节点得到自身待交换数据组别中另一个地面站信源节点的数据信息的流程如 图13所示。地面站信源节点将所得的编码数据估计值与自己发送的上行链路数据包中的待交 换二进制数据信息在保留正负号的前提下进行按位异或逻辑运算(若自身的二进制数据信息 的数据长度小于编码数据估计值的位数，不足的位数用-1补齐)，再去掉异或结果中的-1，如 1301所示。得到自身待交换数据组别中的另一个地面站信源节点发送的二进制数据信息，从 而实现同一待交换数据组别中两个远距离区域间地面站信源节点的数据交换。

再以一个包含8个地面站信源节点以及1个卫星中继节点的网络在一个时隙周期内两个地 面站信源节点通过卫星中继节点交换数据的过程为具体实例，对本发明进行详细的描述：

包含8个地面站信源节点以及1个卫星中继节点的网络拓扑结构如图14所示。节点0～节点7 为8个地面站信源节点，节点0、节点1、节点4和节点5位于一个通信覆盖范围内；节点2、节 点3、节点6以及节点7位于另一个通信覆盖范围内。节点0和节点3为同一待交换数据组别，节 点1和节点2为同一待交换数据组别，节点4和节点6为同一待交换数据组别，节点5和节点7为 同一待交换数据组别，由于两个通信覆盖范围相距遥远，因此需要通过卫星中继节点实现每 个待交换数据组别中两个地面站信源节点间的数据交换。下面具体以节点0和节点3通过卫星 中继节点交换数据为例进行详细说明。

假设一个时隙周期内，8个地面站信源节点发送的上行链路数据包如表1所示。

表1 上行链路数据包

同一待交换数据组别的两个地面站信源节点的二进制数据信息进行数据交换。如表1所示 的上行链路数据包中，节点0与节点3的数据进行交换，节点1与节点2的数据进行交换，节点4 与节点6的数据进行交换，节点5与节点7的数据进行交换。表1中上行链路数据包数据长度的 最大值为8，满足大于地面站信源节点总数-2的约束条件。

卫星中继节点收到表1所示的上行链路数据包后，首先提取所有接收到的上行链路数据包 的数据长度标识位信息，然后以最大的数据长度8为基准，小于该基准的其它上行链路数据包 的二进制数据信息要用-1补齐到该基准数据长度。接着按照待交换数据组别标识位信息的大 小对所有上行链路数据包进行排序，同一待交换数据组别中的两个上行链路数据包不分先后， 排序后的上行链路数据如表2所示。

表2 排序后的上行链路数据包

提取表2中所有上行链路数据包的待交换二进制数据信息，构建原始信息矩阵D如式(2) 所示。

$D=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 1\\ 1& 0& 0& -1& 0& 0& 0& -1\end{array}\right)---\left(2\right)$

将式(2)所示的原始信息矩阵中第1，2列数据用全零代替后得到的第1个剩余信息矩阵M₁如式(3)所示。

$M_1=\left(\begin{array}{cccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& -1& 0& 0& 0& -1\end{array}\right)---\left(3\right)$

将第1个剩余信息矩阵M₁进行奇异值分解，得到的U₁，S₁和V₁分别如式(4)，(5)，(6) 所示。

$U_1=\left(\begin{array}{cccccccc}-0.0000& -0.0000& 0.0000& -0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071\\ -0.0000& -0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& -0.7071\\ -0.0000& -0.0000& 1.0000& 0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& 0\\ -0.2245& 0.4697& 0.0000& 0.0000& -0.5341& 0.6661& -0.0000& 0.0000\\ -0.3654& -0.5636& -0.0000& -0.7071& -0.0902& 0.2019& -0.0000& 0.0000\\ -0.3654& -0.5636& -0.0000& 0.7071& -0.0902& 0.2019& -0.0000& 0.0000\\ -0.6331& 0.3367& 0.0000& -0.0000& 0.6895& 0.1021& -0.0000& 0\\ 0.5308& -0.1757& 0.0000& 0.0000& 0.4723& 0.6814& -0.0000& 0.0000\end{array}\right)---\left(4\right)$

$S_1=\left(\begin{array}{cccccccc}2.4870& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1.4460& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1.0000& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1.0000& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0.7704& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0.3610& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.0000& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.0000\end{array}\right)---\left(5\right)$

$V_1=\left(\begin{array}{cccccccc}-0.0000& -0.0000& 0.0000& -0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071\\ -0.0000& -0.0000& 0.0000& -0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071\\ -0.0000& -0.0000& 1.0000& 0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ -0.5582& 0.6791& 0.0000& 0.0000& -0.4115& 0.2404& -0.0000& -0.0000\\ -0.1469& -0.3897& 0.0000& -0.7071& -0.1171& 0.5593& -0.0000& -0.0000\\ -0.1469& -0.3897& 0.0000& 0.7071& -0.1171& 0.5593& -0.0000& -0.0000\\ -0.2546& 0.2328& 0.0000& -0.0000& 0.8950& 0.2828& -0.0000& 0.0000\\ -0.7618& -0.4251& -0.0000& -0.0000& 0.0476& -0.4864& 0.0000& 0\end{array}\right)---\left(6\right)$

选取式(4)所示的U₁的第7列作为第1和第2列二进制数据信息的预处理向量B₁，同样方法 得到该具体实例中的其余三个预处理向量B₂,B₃,B₄，如式(7)所示。

$\left(\begin{array}{c}{B}_1={\left(\begin{array}{cccccccc}0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\end{array}\right)}^T\\ B_2={\left(\begin{array}{cccccccc}0.0000& -0.0000& 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\end{array}\right)}^T\\ B_3={\left(\begin{array}{cccccccc}-0.4352& 0.1741& -0.0000& 0.4352& -0.1741& 0.6093& -0.0000& 0.4352\end{array}\right)}^T\\ B_4{=\left(\begin{array}{cccccccc}-0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.7071& 0.0000\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(7\right)$

卫星中继节点分别将原始信息矩阵D的第2i-1列和第2i列(其中i＝1,2....N/2)的数据在 保留正负号的前提下进行按位异或逻辑运算，分别得到每个待交换数据组别的编码数据R_i。 该具体实例中的四个待交换数据组别的编码数据R_i如式(8)所示。

$\left(\begin{array}{c}{R}_1{=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1\end{array}\right)}^T\\ R_2={\left(\begin{array}{cccccccc}0& 0& 1& 1& 0& 0& 1& -1\end{array}\right)}^T\\ R_3{=\left(\begin{array}{cccccccc}0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0\end{array}\right)}^T\\ R_4={\left(\begin{array}{cccccccc}0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& -1\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(8\right)$

卫星中继节点将式(7)中的预处理向量B_i与式(8)中的编码数据R_i按照式(1)进行运算得 到发送信息矩阵E，如式(9)所示。

$E=\left(\begin{array}{cccccccc}0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.2719& 0.8812& -0.0000& 1.1423& -0.1741& 0.6093& -0.7071& 0.4352\\ -0.4352& 0.1741& -0.0000& 1.1423& -0.1741& 0.6093& -0.7071& 0.4352\\ 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.7071& 0.7071& -0.7071& -1.4142& -0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.0000\end{array}\right)---\left(9\right)$

卫星中继节点将发送信息矩阵E的每列数据用分隔标识符分隔后按照图10所示的下行链 路数据包格式封装后存放到数据队列。在自身时隙将队列中的下行链路数据包广播发送给地 面站信源节点。

地面站信源节点收到卫星中继节点广播发送的下行链路数据包，将该数据包还原成发送 信息矩阵，并将还原后的发送信息矩阵与自己发送的上行链路数据包中的待交换二进制数据 信息相乘(若自身的二进制数据信息的数据长度小于发送信息矩阵的行数，不足的位数用-1 补齐)。所得的数据如表3所示。

表3 各信源节点所得数据

将表3中的数据进行归一化处理，例如节点0所得的数据信息中第一个数据为正，则将所 得的数据信息在保留正负号的前提下将非零数据当1，为零数据当0；节点4所得的数据信息中 第一个数据为负，则将所有数据乘以-1后，在保留正负号的前提下将非零数据当1，为零数据 当0。从而地面站信源节点得到自身待交换数据组别的编码数据估计值如表4所示。

表4 各地面站信源节点所得的编码数据估计值

地面站信源节点名称 自身组别的编码数据估计值 节点0 1 1 0 0 1 0 0 1 节点1 0 0 1 1 0 0 1 -1 节点2 0 0 1 1 0 0 1 -1 节点3 1 1 0 0 1 0 0 1 节点4 0 0 0 0 1 1 0 0 节点5 0 0 0 0 1 1 0 -1 节点6 0 0 0 0 1 1 0 0 节点7 0 0 0 0 1 1 0 -1

地面站信源节点再将所得的编码数据估计值与自己发送的上行链路数据包中的待交换二 进制数据信息在保留正负号的前提下进行按位异或逻辑运算(若自身的二进制数据信息的数 据长度小于编码数据估计值的位数，不足的位数用-1补齐)，再去掉异或结果中的-1，得到的 解码数据即为自身待交换数据组别中的另一个地面站信源节点发送的二进制数据信息，如表5 所示。

表5 各地面站信源节点解码数据

地面站信源节点名称 解码数据 节点0 0 1 0 0 1 0 0 0 节点1 0 0 0 1 0 0 1 节点2 0 0 1 0 0 0 0 0 节点3 1 0 0 0 0 0 0 1 节点4 0 0 0 0 0 1 0 0 节点5 0 0 0 0 1 1 1 节点6 0 0 0 0 1 0 0 0 节点7 0 0 0 0 0 0 1 0

将表5与表1对比可知：使用本发明提出的安全性网络编码方法，各个地面站信源节点均 能解码出与其同一待交换数据组别中对方信源节点的二进制数据信息，即能实现同一待交换 数据组别中两个远距离区域间地面站信源节点的数据交换。以节点0为例，其解码所得的二进 制数据信息为与其同一待交换数据组别中节点3的二进制数据信息。

继续以该实例为例，节点1在自身时隙发送上行链路数据包时，由于地面站信源节点间的 信道环境影响，使得该数据包中的信息被节点0监听，假设节点0监听到的数据包如表6所示：

表6 节点0监听到的节点1发送的上行链路数据包信息

通过与表1比对可知：节点0监听到的节点1发送的上行链路数据包，只有待交换二进制数 据信息中第8比特数据是错误的。如果采用传统的网络编码方法，节点0通过接收卫星中继节 点广播发送的下行链路数据包，解码出与节点1同一待交换数据组别中节点2的待交换二进制 数据信息中第1～7比特数据正确，第8比特数据错误。但若采用本发明提出的安全性网络编码 方法，节点0将还原后的发送信息矩阵与它监听到的节点1数据相乘得到数据为：-0.0000， -0.0000，0.7071，0.7071,0.4352，0.4352，0.7071，-0.7071。

再将得到的数据归一化处理后得到节点1与节点2的编码数据估计值为：0，0，-1，-1， -1，-1，-1，1。

将所得的节点1与节点2的编码数据估计值与节点0监听到的节点1的二进制数据信息在保 留正负号的前提下进行按位异或逻辑运算，得到与节点1同一待交换数据组别中的节点2发送 的二进制数据信息为：0，0，-0，-1，-1，-1，-1，0。

根据与表1中节点2发送的上行链路数据包中的二进制信息比对可知，使用本发明提出的 安全性网络编码方法，节点0利用监听节点1发送的上行链路数据包信息以及接收到的卫星中 继节点广播发送的下行链路数据包信息，在1比特监听错误的情况下，解码出的节点2发送的 上行链路数据包中二进制数据信息会产生6比特错误，与传统网络编码方法相比，译码错误大 幅增加。因此本发明提出的安全性网络编码方法可以更好地屏蔽掉其它待交换数据组别中另 一个远距离区域内地面站信源节点信息，从而提高卫星中继网络的安全性。

$D=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 1\\ 1& 0& 0& -1& 0& 0& 0& -1\end{array}\right)---\left(2\right)$

将式(2)所示的原始信息矩阵中第1，2列数据用全零代替后得到的第1个剩余信息矩阵M₁如式(3)所示。

$M_1=\left(\begin{array}{cccccccc}0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1\\ 0& 0& 0& 0& 0& 1& 0& 1\\ 0& 0& 0& 1& 0& 0& 1& 1\\ 0& 0& 0& -1& 0& 0& 0& -1\end{array}\right)---\left(3\right)$

将第1个剩余信息矩阵M₁进行奇异值分解，得到的U₁，S₁和V₁分别如式(4)，(5)，(6) 所示。

$U_1=\left(\begin{array}{cccccccc}-0.0000& -0.0000& 0.0000& -0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071\\ -0.0000& -0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& -0.7071\\ -0.0000& -0.0000& 1.0000& 0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& 0\\ -0.2245& 0.4697& 0.0000& 0.0000& -0.5341& 0.6661& -0.0000& 0.0000\\ -0.3654& -0.5636& -0.0000& -0.7071& -0.0902& 0.2019& -0.0000& 0.0000\\ -0.3654& -0.5636& -0.0000& 0.7071& -0.0902& 0.2019& -0.0000& 0.0000\\ -0.6331& 0.3367& 0.0000& -0.0000& 0.6895& 0.1021& -0.0000& 0\\ 0.5308& -0.1757& 0.0000& 0.0000& 0.4723& 0.6814& -0.0000& 0.0000\end{array}\right)---\left(4\right)$

$S_1=\left(\begin{array}{cccccccc}2.4870& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 1.4460& 0& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 1.0000& 0& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 1.0000& 0& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0.7704& 0& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0.3610& 0& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.0000& 0\\ 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0& 0.0000\end{array}\right)---\left(5\right)$

$V_1=\left(\begin{array}{cccccccc}-0.0000& -0.0000& 0.0000& -0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071\\ -0.0000& -0.0000& 0.0000& -0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071\\ -0.0000& -0.0000& 1.0000& 0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ -0.5582& 0.6791& 0.0000& 0.0000& -0.4115& 0.2404& -0.0000& -0.0000\\ -0.1469& -0.3897& 0.0000& -0.7071& -0.1171& 0.5593& -0.0000& -0.0000\\ -0.1469& -0.3897& 0.0000& 0.7071& -0.1171& 0.5593& -0.0000& -0.0000\\ -0.2546& 0.2328& 0.0000& -0.0000& 0.8950& 0.2828& -0.0000& 0.0000\\ -0.7618& -0.4251& -0.0000& -0.0000& 0.0476& -0.4864& 0.0000& 0\end{array}\right)---\left(6\right)$

选取式(4)所示的U₁的第7列作为第1和第2列二进制数据信息的预处理向量B₁，同样方法 得到该具体实例中的其余三个预处理向量B₂,B₃,B₄，如式(7)所示。

$\left(\begin{array}{c}{B}_1={\left(\begin{array}{cccccccc}0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\end{array}\right)}^T\\ B_2={\left(\begin{array}{cccccccc}0.0000& -0.0000& 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\end{array}\right)}^T\\ B_3={\left(\begin{array}{cccccccc}-0.4352& 0.1741& -0.0000& 0.4352& -0.1741& 0.6093& -0.0000& 0.4352\end{array}\right)}^T\\ B_4{=\left(\begin{array}{cccccccc}-0.0000& 0.0000& 0.0000& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.7071& 0.0000\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(7\right)$

卫星中继节点分别将原始信息矩阵D的第2i-1列和第2i列(其中i＝1,2....N/2)的数据在 保留正负号的前提下进行按位异或逻辑运算，分别得到每个待交换数据组别的编码数据R_i。 该具体实例中的四个待交换数据组别的编码数据R_i如式(8)所示。

$\left(\begin{array}{c}{R}_1{=\left(\begin{array}{cccccccc}1& 1& 0& 0& 1& 0& 0& 1\end{array}\right)}^T\\ R_2={\left(\begin{array}{cccccccc}0& 0& 1& 1& 0& 0& 1& -1\end{array}\right)}^T\\ R_3{=\left(\begin{array}{cccccccc}0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& 0\end{array}\right)}^T\\ R_4={\left(\begin{array}{cccccccc}0& 0& 0& 0& 1& 1& 0& -1\end{array}\right)}^T\end{array}\right)---\left(8\right)$

卫星中继节点将式(7)中的预处理向量B_i与式(8)中的编码数据R_i按照式(1)进行运算得 到发送信息矩阵E，如式(9)所示。

$E=\left(\begin{array}{cccccccc}0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.2719& 0.8812& -0.0000& 1.1423& -0.1741& 0.6093& -0.7071& 0.4352\\ -0.4352& 0.1741& -0.0000& 1.1423& -0.1741& 0.6093& -0.7071& 0.4352\\ 0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.7071& -0.0000& -0.0000& -0.0000& -0.0000\\ 0.7071& 0.7071& -0.7071& -1.4142& -0.0000& 0.0000& 0.7071& 0.0000\end{array}\right)---\left(9\right)$

卫星中继节点将发送信息矩阵E的每列数据用分隔标识符分隔后按照图10所示的下行链 路数据包格式封装后存放到数据队列。在自身时隙将队列中的下行链路数据包广播发送给地 面站信源节点。

地面站信源节点收到卫星中继节点广播发送的下行链路数据包，将该数据包还原成发送 信息矩阵，并将还原后的发送信息矩阵与自己发送的上行链路数据包中的待交换二进制数据 信息相乘(若自身的二进制数据信息的数据长度小于发送信息矩阵的行数，不足的位数用-1 补齐)。所得的数据如表3所示。

表3 各信源节点所得数据

将表3中的数据进行归一化处理，例如节点0所得的数据信息中第一个数据为正，则将所 得的数据信息在保留正负号的前提下将非零数据当1，为零数据当0；节点4所得的数据信息中 第一个数据为负，则将所有数据乘以-1后，在保留正负号的前提下将非零数据当1，为零数据 当0。从而地面站信源节点得到自身待交换数据组别的编码数据估计值如表4所示。

表4 各地面站信源节点所得的编码数据估计值

地面站信源节点名称 自身组别的编码数据估计值 节点0 1 1 0 0 1 0 0 1 节点1 0 0 1 1 0 0 1 -1

节点2 0 0 1 1 0 0 1 -1 节点3 1 1 0 0 1 0 0 1 节点4 0 0 0 0 1 1 0 0 节点5 0 0 0 0 1 1 0 -1 节点6 0 0 0 0 1 1 0 0 节点7 0 0 0 0 1 1 0 -1

地面站信源节点再将所得的编码数据估计值与自己发送的上行链路数据包中的待交换二 进制数据信息在保留正负号的前提下进行按位异或逻辑运算(若自身的二进制数据信息的数 据长度小于编码数据估计值的位数，不足的位数用-1补齐)，再去掉异或结果中的-1，得到的 解码数据即为自身待交换数据组别中的另一个地面站信源节点发送的二进制数据信息，如表5 所示。

表5 各地面站信源节点解码数据

地面站信源节点名称 解码数据 节点0 0 1 0 0 1 0 0 0 节点1 0 0 0 1 0 0 1 节点2 0 0 1 0 0 0 0 0 节点3 1 0 0 0 0 0 0 1 节点4 0 0 0 0 0 1 0 0 节点5 0 0 0 0 1 1 1 节点6 0 0 0 0 1 0 0 0 节点7 0 0 0 0 0 0 1 0

将表5与表1对比可知：使用本发明提出的安全性网络编码方法，各个地面站信源节点均 能解码出与其同一待交换数据组别中对方信源节点的二进制数据信息，即能实现同一待交换 数据组别中两个远距离区域间地面站信源节点的数据交换。以节点0为例，其解码所得的二进 制数据信息为与其同一待交换数据组别中节点3的二进制数据信息。

继续以该实例为例，节点1在自身时隙发送上行链路数据包时，由于地面站信源节点间的 信道环境影响，使得该数据包中的信息被节点0监听，假设节点0监听到的数据包如表6所示：

表6节点0监听到的节点1发送的上行链路数据包信息

通过与表1比对可知：节点0监听到的节点1发送的上行链路数据包，只有待交换二进制数 据信息中第8比特数据是错误的。如果采用传统的网络编码方法，节点0通过接收卫星中继节 点广播发送的下行链路数据包，解码出与节点1同一待交换数据组别中节点2的待交换二进制 数据信息中第1～7比特数据正确，第8比特数据错误。但若采用本发明提出的安全性网络编码 方法，节点0将还原后的发送信息矩阵与它监听到的节点1数据相乘得到数据为：-0.0000， -0.0000，0.7071，0.7071,0.4352，0.4352，0.7071，-0.7071。

再将得到的数据归一化处理后得到节点1与节点2的编码数据估计值为：0，0，-1，-1， -1，-1，-1，1。

将所得的节点1与节点2的编码数据估计值与节点0监听到的节点1的二进制数据信息在保 留正负号的前提下进行按位异或逻辑运算，得到与节点1同一待交换数据组别中的节点2发送 的二进制数据信息为：0，0，-0，-1，-1，-1，-1，0。

根据与表1中节点2发送的上行链路数据包中的二进制信息比对可知，使用本发明提出的 安全性网络编码方法，节点0利用监听节点1发送的上行链路数据包信息以及接收到的卫星中 继节点广播发送的下行链路数据包信息，在1比特监听错误的情况下，解码出的节点2发送的 上行链路数据包中二进制数据信息会产生6比特错误，与传统网络编码方法相比，译码错误大 幅增加。因此本发明提出的安全性网络编码方法可以更好地屏蔽掉其它待交换数据组别中另 一个远距离区域内地面站信源节点信息，从而提高卫星中继网络的安全性。