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一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法

阅读：1032发布：2020-05-26

专利汇可以提供一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，发送端的信息隐藏过程如下；构建一个)数字滤波器；随机生成一组高斯噪声序列作为激励噪声通过数字滤波器，输出一组有色噪声序列作为隐蔽信号；原业务信息比特经过信道编码后，生成的MQAM 星座符号与隐蔽信号叠加；接收端的信息恢复处理过程如下：接收方收到被信道污染的发送方发送的符号，经过信道译码后得到宿主信息的比特；此数据再次经过信道编码器后通过调制，重新生成新的调制符号；得到包含信道噪声的隐蔽信号的估计值；计算有色噪声序列的估计值的相关系数，估计得到数字滤波器的抽头系数；根据抽头系数的估计值判决得出隐蔽信息的比特。本发明在不影响主系统的性能条件下隐蔽性能较好。，下面是一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，其特征在于：所述隐蔽通信方法包括发送端的信息隐藏与接收端的信息恢复处理，所述发送端的信息隐藏包括以下步骤：
1-1:构建一个AR(1)数字滤波器，滤波器的抽头系数则由待传输的隐蔽信息的比特控制选择；
1-2:随机生成一组高斯噪声序列，生成的噪声序列作为激励噪声通过步骤1-1中构建的AR(1)数字滤波器，输出一组有色噪声序列作为隐蔽信号；
1-3:原业务信息比特经过信道编码后，通过数字调制器生成MQAM的星座符号，生成的MQAM星座符号与步骤1-2中生成的隐蔽信号叠加，完成隐蔽信息的物理层的隐藏；
所述接收端的隐蔽信息恢复处理包括以下步骤：
2-1:接收方收到被信道污染的发送方发送的符号，通过数字解调器，随后经过信道译码后得到宿主信息的比特；此数据再次经过信道编码器后通过MQAM调制器的调制，重新生成新的调制符号；
2-2:用步骤2-1中接收方收到的被信道污染的符号减去步骤2-1中得到的新的星座符号，得到包含信道噪声的隐蔽信号的估计值；
2-3:计算步骤2-2中有色噪声序列的估计值的相关系数，估计得到AR(1)数字滤波器的抽头系数；
2-4:根据步骤2-3中AR(1)数字滤波器抽头系数的估计值判决得出隐蔽信息的比特。
2.如权利要求1所述的基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤1-
1中，当待传输的隐蔽信息比特为“1”时，选择+ρ作为滤波器的抽头系数，0≤ρ≤1；当待传输的隐蔽信息比特为“0”时，选择-ρ作为滤波器的抽头系数，也即
3.如权利要求1或2所述的基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤1-2中，发送方产生一组复高斯白噪声序列将生成的复高斯白噪声序列通过步骤1-1构建的AR(1)滤波器，得到一组人工复色高斯噪声序列也即
nk＝φ1nk-1+ek,k＝1,2,…,N
因此，隐蔽信息比特b隐藏在人工噪声中。
4.如权利要求3所述的基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤1-
3中，假定宿主系统采用MQAM数字调制，长度为K log2M的原业务信息比特通过信道编码器后生成长度为N log2M的比特流随后，信道编码器输出的比特经过MQAM数字调制器后生成N个MQAM符号已调符号与步骤1-2中生成的人工复色高斯噪声序列叠加，得到待传输的符号也即
μk＝sk+nk,k＝1,2,…,N。
5.如权利要求4所述的基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤2-
1中，接收方收到经过信道污染之后的发送方发送的符号
rk＝sk+nk+wk,k＝1,2,…,N
式子中的wk是信道噪声，经过MQAM解调器后通过信道译码器，恢复出原业务信息比特得到的原业务信息比特再一次经过信道编码器后通过MQAM调制器调
制，重新生成调制符号
6.如权利要求5所述的基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤2-
2中，隐蔽信号的估计值
7.如权利要求5所述的基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤2-
3中AR参数的估计方法，计算步骤2-2得到的隐蔽信号的估计值的相关系数，得到AR(1)滤波器抽头系数的估计值对AR(1)，滤波器抽头系数φ1，等于相关系数；对于长度为N的复高斯序列，相关系数估计值的表达式
式中
8.如权利要求7所述的基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤2-
4中，对步骤2-3得出的AR(1)滤波器抽头系数进行判决，得到隐蔽信息的比特的估计值当滤波器抽头系数的估计值大于等于0时，输出隐蔽信息比特为“1”；否则输出隐蔽信息比特为“0”，也即

说明书全文

一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法

技术领域

[0001] 本发明涉及无线通信和信息安全技术领域，具体涉及一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法。

背景技术

[0002] 由于无线信道固有的广播特性，在无线网络的传输过程中，应用APP对比较敏感的数据，往往采用数据链路层和/或应用层对数据做加密处理。然而，随着计算能力的飞速发展，传统的加密方案，已经无法保证的通信的安全性。

[0003] 有学者提出了称为随机过程键控的数字通信系统。隐蔽信息控制随机过程序列的某个参数，使得发送的信号具有类似于噪声的随机特性，以迷惑潜在的窃听者。合法接收方，对接收到的样本提取出随机过程的某个参数的统计特性，从而估计出隐蔽信息。考虑到现代无线通信协议的规范化、标准化，基于私有协议的通信设备，其兼容性较差，应用受到限制。同时，如果合法双方的物理层信号异于标准，反而容易引起窃听者的注意。

发明内容

[0004] 为了克服已有通信方式的隐蔽性能较差的不足，本发明提供一种在不影响主系统的性能条件下隐蔽性能较好的基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法。

[0005] 本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

[0006] 一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，所述隐蔽通信方法包括发送端的信息隐藏与接收端的信息恢复处理，所述发送端的信息隐藏包括以下步骤：

[0007] 1-1：构建一个AR(1)数字滤波器，滤波器的抽头系数则由待传输的隐蔽信息的比特选择控制；

[0008] 1-2：随机生成一组高斯噪声序列，生成的噪声序列作为激励噪声通过步骤1-1中构建的AR(1)数字滤波器，输出一组有色噪声序列作为隐蔽信号；

[0009] 1-3：原业务信息比特经过信道编码后，通过数字调制器生成MQAM的星座符号，生成的MQAM星座符号与步骤1-2中生成的隐蔽信号叠加，完成隐蔽信息的物理层的隐藏；

[0010] 所述接收端的信息恢复处理包括以下步骤：

[0011] 2-1：接收方收到被信道污染的发送方发送的符号，通过数字解调器，随后经过信道译码后得到宿主信息的比特；此数据再次经过信道编码器后通过MQAM调制器的调制，重新生成新的调制符号；

[0012] 2-2：用步骤2-1中接收方收到的被信道污染的符号减去步骤2-1中得到的新的星座符号，得到包含信道噪声的隐蔽信号的估计值；

[0013] 2-3：计算步骤2-2中有色噪声序列的估计值的相关系数，估计得到AR(1)数字滤波器的抽头系数；

[0014] 2-4：根据步骤2-3中AR(1)数字滤波器抽头系数的估计值判决得出隐蔽信息的比特。

[0015] 进一步，所述步骤1-1中，当待传输的隐蔽信息比特为“1”时，选择+ρ作为滤波器的抽头系数，0≤ρ≤1；当待传输的隐蔽信息比特为“0”时，选择-ρ作为滤波器的抽头系数，也即

[0016]

[0017] 再进一步，所述步骤1-2中，发送方产生一组复高斯白噪声序列将生成的复高斯白噪声序列通过步骤1-1构建的AR(1)滤波器，得到一组人工复色高斯噪声序列也即

[0018] nk＝φ1nk-1+ek，k＝1，2，…，N

[0019] 因此，隐蔽信息比特b隐藏在人工噪声中。

[0020] 更进一步，所述步骤1-3中，假定宿主系统采用MQAM数字调制，长度为K log2 M的原业务信息比特通过信道编码器后生成长度为N log2 M的比特流随后，信道编码器输出的比特经过MQAM数字调制器后生成N个MQAM符号
已调符号与步骤1-2中生成的人工复色高斯噪声序列叠加，得到待传输的符号也即

[0021] μk＝sk+nk，k＝1，2，…，N。

[0022] 所述步骤2-1中，接收方收到经过信道污染之后的发送方发送的符号[0023] rk＝sk+nk+wk，k＝1，2，…，N

[0024] 式子中的wk是信道噪声，经过MQAM解调器后通过信道译码器，恢复出原业务信息比特得到的原业务信息比特再一次经过信道编码器后通过MQAM调制器调制，重新生成调制符号

[0025] 所述步骤2-2中，隐蔽信号的估计值

[0026]

[0027] 所述步骤2-3中，计算步骤2-2得到的隐蔽信号的估计值的相关系数，得到AR(1)滤波器抽头系数的估计值对AR(1)，滤波器抽头系数φ1，等于相关系数；对于长度为N的复高斯序列，相关系数估计值的表达式

[0028]

[0029] 式中关于AR(1)参数的估计方法，也可以用其他算法如Burg算法、Kalman滤波估计法等，代替本发明中提到的相关系数估计法。

[0030] 所述步骤2-4中，对步骤2-3得出的AR(1)滤波器抽头系数进行判决，得到隐蔽信息的比特的估计值当滤波器抽头系数的估计值大于0时，输出隐蔽信息比特为“1”；否则输出隐蔽信息比特为“0”，也即

[0031]

[0032] 本发明的技术构思为：本发明提供了一种寄生在传统通信系统之上的隐蔽通信方法。类似与水印技术，把合法双方正常通信的信号作为载体，把表示隐蔽通信比特的随机过程作为水印，水印叠加在载体上，一起发射到信道中。一方面，水印的功率足够小，对接收方的正常通信影响非常小。另一方面，水印的随机特性，窃听者无法区分此随机过程来源于信道，还是来源于隐蔽通信发送方。因此，本发明具有很好的通信隐蔽性。同时，本发明关于信道估计和同步问题，已经由标准化的传统通信系统实现，可直接得到。

[0033] 在宿主系统发送端的调制器上，叠加上由隐蔽通信比特控制的、小功率的人工噪声序列，使得调制器输出的星座图，等同于高信噪比信道下的星座图，因此基本不影响宿主系统。宿主系统接收端，按照原来的接收处理，恢复出原业务信息比特；然后再从接收信号中减去恢复原业务信息经过信道编码后对应的调制符号，得到人工噪声序列的估计值；最后从噪声序列中估计出隐蔽通信比特。

[0034] 本发明在宿主系统调制器中叠加的人工噪声序列，是由复高斯白噪声经过自回归AR滤波器后生成的，是通信中最常见的一种信道噪声之一。对窃听者而言，不能区分该噪声序列究竟是来源于信道还是来源于隐蔽通信系统。自回归AR滤波器的系数由隐蔽通信的发送比特来选择。AR滤波器结构简单、容易实现，同时，从噪声序列中估计出AR滤波器系数的算法也很简单、可靠。进一步，隐蔽系统寄生在宿主系统上，完全掌握宿主系统的结构与协议，在比特同步和信道估计问题上，可以直接利用宿主系统的相应的结果。因此，本发明具有很好的隐蔽性和实际可操作性。

[0035] 本发明的有益效果主要表现在：寄生在标准化的、传统的通信系统(称之为宿主系统)上，能够直接利用宿主系统的信道估计和同步模块，实现了隐蔽通信的信道估计和同步问题。而且，在基本不影响宿主系统的性能条件下，隐蔽通信具有良好的隐蔽性能。附图说明

[0036] 图1为本发明提出的隐蔽通信系统中发送端的结构图。

[0037] 图2为本发明提出的隐蔽通信系统中接收端的结构图。

具体实施方式

[0038] 下面结合附图对本发明作进一步描述。

[0039] 参照图1和图2，一种基于自回归人工噪声的隐蔽通信方法，包括以下步骤：

[0040] 步骤1-1中，发送方根据待传输的隐蔽信息比特b来确定自回归AR(1)滤波器的抽头系数φ1。具体地说，当待传输的隐蔽信息比特为“1”时，选择+ρ(0≤ρ≤1)作为滤波器的抽头系数；当待传输的隐蔽信息比特为“0”时，选择-ρ作为滤波器的抽头系数，也即[0041]

[0042] 步骤1-2中，发送方产生一组复高斯白噪声序列将生成的复高斯白噪声序列通过步骤1-1构建的AR(1)滤波器，得到一组人工复色高斯噪声序列也即[0043] nk＝φ1nk-1+ek，k＝1，2，…，N

[0044] 因此，隐蔽信息比特b隐藏在人工噪声

[0045] 步骤1-3中，假定宿主系统采用MQAM数字调制，长度为K log2 M的原业务信息比特通过信道编码器后生成长度为N log2 M的比特流随后，信道编码器输出的比特经过MQAM数字调制器后生成N个MQAM符号已调符号与步骤1-2中生成的人工复色高斯噪声序列叠加，得到待传输的符号也即

[0046] μk＝sk+nk，k＝1，2，…，N

[0047] 人工噪声的引入必然会增大原业务传输的误比特率Pb，因此，人工噪声nk的功率与MQAM符号sk的功率相比，必须小于某一个阈值，使得对Pb的影响不大；同时，nk必须具有足够大的功率，以利于从nk中估计出AR(1)系数，从而恢复出隐蔽信息比特。

[0048] 步骤2-1中，接收方收到经过信道污染之后的发送方发送的符号

[0049] rk＝sk+nk+wk，k＝1，2，…，N

[0050] 式子中的wk是信道噪声。经过MQAM解调器后通过信道译码器，恢复出原业务信息比特随后，得到的原业务信息比特再一次经过信道编码器后通过MQAM调制器调制，重新生成调制符号考虑到在实际的通信系统中，因为信道噪声的存在而导致误码存在，因此发送方和接收方引入信道纠错编码，用于克服信道污染引起的误码问题。假定信道信噪比较大，且MQAM调制的误比特率Pb小于某个门限值，也即落在信道纠错编码的纠错能力之内，那么经过纠错译码之后，正确地恢复出原业务信息比特，使得因此在随后的步骤中得到的自回归人工噪声的估计值中，不会引入因宿主系统误码而造成的噪声，降低了隐蔽信息比特的误码率。

[0051] 步骤2-2中，将接收方收到的符号减去估计得到的原业务信息经过信道编码、数字调制后重新得到的新的星座符号，得到隐蔽信号的估计值

[0052]

[0053] 步骤2-3中，计算步骤2-2得到的隐蔽信号的估计值的相关系数，得到AR(1)滤波器抽头系数的估计值对AR(1)，滤波器抽头系数φ1，等于相关系数。对于长度为N的复高斯序列，相关系数估计值的表达式

[0054]

[0055] 式中

[0056] 步骤2-4中，对步骤2-3得出的AR(1)滤波器抽头系数进行判决，得到隐蔽信息的比特的估计值当滤波器抽头系数的估计值大于0时，输出隐蔽信息比特为“1”；否则输出隐蔽信息比特为“0”，也即

[0057]

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