CN103476026A - 基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，针对分组码、RS码、卷积码和串行级联码等不同的信道编码算法，提出了秘密信息嵌入的容量自适应方法；并且提出了基于m序列的信道编码信息嵌入和提取算法。利用本发明，能够根据所使用信道编码的不同和通信环境的不同自适应地确定隐蔽信道容量；不影响含密载体的正常使用，能够抵抗卡方分析、RS分析等主要密写分析攻击；在卫星信道误比特率（10^-3-10^-5）条件下，能够实现秘密信息的准无误码传输。

Description

基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法

技术领域

本发明涉及卫星通信技术领域，具体涉及基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法。

背景技术

随着通信技术的不断发展，卫星信道隐蔽通信可用于秘密指令的安全分发，也可用于借助公开信道的信息传递。监听者只能监听到传输公开信息的信道，不能发现传输秘密信息的通信过程。隐蔽通信有效地保护了情报信息传输和安全。

卫星通信场景通常采用“透明式”弯管转发的情形，通信信号在卫星的透明转发器上进行低噪声放大、变频及功率放大外，不作任何加工处理，通信信号的编码不受影响。同时星上不采用处理转发器，因为在卫星的上/下行链路一般采用相同的编码方式。如何保证隐蔽通信方法的隐蔽性一直是卫星隐蔽通信中的一个难题。而且由于卫星通信信号受到通信链路比特误码干扰，有可能会破坏其中的隐藏信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供适用于卫星信道的自适应秘密信息嵌入和提取方法。

为了解决上述技术问题，本发明提出了基于卫星信道编码的信道隐蔽通信算法，这种隐蔽通信方法具有很好的隐蔽性，所述方法包括以下步骤：

a、对信源数据进行信道编码；

b、利用信道的误比特率信息，计算得到隐蔽通信容量；

c、利用秘密信息嵌入算法将秘密信息嵌入到编码后的信源数据；

d、利用秘密信息提取算法从接收到的信源数据提取出秘密信息；

e、对接收到的信源数据进行信道译码；

所述步骤b中，计算得到隐蔽通信容量采用基于分组码的容量自适应算法、基于RS码的容量自适应算法、基于卷积码的容量自适应算法或基于串行级联码的容量自适应算法。

所述步骤b中，实现了嵌入容量自适应性，在给定信道编码方式以及纠错编码方式的情况下，针对不同的误码率可以动态选择嵌入容量，这样就避免了嵌入信息的盲目性，增加了信息传输的可靠性。

增强了安全性，由于嵌入信息容量的可控，这样就避免多嵌入信息而出现的载体信源误码，避免了因为载体的误码引发的一些不安全因素。

通信载体类型不受限，只与信道编码格式和通信服务需求相关。

采用模块化可控介入方式，不影响卫星信道正常通信过程，且便于后续功能升级和扩展。

本发明的有益效果是：

（1）本发明能够根据所使用信道编码的不同和通信环境的不同自适应地确定隐蔽信道容量；不影响含密载体的正常使用，能够抵抗卡方分析、RS分析等主要密写分析攻击；在卫星信道误比特率（10^-3-10^-5）条件下，能够实现秘密信息的准无误码传输。

（2）本发明步骤b中，实现了嵌入容量自适应性，在给定信道编码方式以及纠错编码方式的情况下，针对不同的误码率可以动态选择嵌入容量，这样就避免了嵌入信息的盲目性，增加了信息传输的可靠性，由于嵌入信息容量的可控，这样就避免多嵌入信息而出现的载体信源误码，避免了因为载体的误码引发的一些不安全因素。

（3）通信载体类型不受限，只与信道编码格式和通信服务需求相关。

（4）本发明采用模块化可控介入方式，不影响卫星信道正常通信过程，且便于后续功能升级和扩展。

附图说明

图1是本发明方法实施例的卫星信道隐蔽通信模型图；

图2是本发明方法秘密信息嵌入算法实施例的实现流程图；

图3是本发明方法秘密信息提取算法实施例的实现流程图。

具体实施方式

如图1所示，是本发明方法提出的卫星信道隐蔽通信模型。该模型中包括8个主要模块，分别是信道编码模块和信道译码模块、纠错编码模块和纠错译码模块、秘密信息嵌入模块和秘密信息提取模块、卫星信道模块、信道容量自适应模块。各模块的功能需求如下：

1）信道编码模块

信道编码模块位于发送端，该模块对输入的信源数据进行信道编码，添加数据冗余增强信源数据抵抗信道误码的能力。然后将编码后的数据通过卫星信道模块传输到接收端。

2）信道译码模块

信道译码模块位于接收端，该模块与信道编码模块成对出现，实现对接收到数据的信道译码，纠正数据比特错误获得正确的信源数据。

3）纠错编码模块

纠错编码模块位于发送端，该模块对输入的秘密信息进行纠错编码，提高秘密信息的误码鲁棒性。编码后的秘密信息将输入到秘密信息嵌入模块。

4）纠错译码模块

纠错译码模块位于接收端，该模块与纠错编码模块成对出现，实现对提取秘密信息的纠错译码获得正确的秘密信息。

5）秘密信息嵌入模块

秘密信息嵌入模块位于发送端，该模块执行秘密信息嵌入算法，按照嵌入位置规则以及信道容量自适应模块指定的嵌入容量将编码后的秘密信息嵌入到信源数据中，然后随信源数据一起传输到接收端。

6）秘密信息提取模块

秘密信息提取模块位于接收端，该模块与秘密信息嵌入模块成对出现，执行秘密信息提取算法，从输入的数据中提取秘密信息，然后将提取出的信息数据输入纠错译码模块。

7）卫星信道模块

该模块执行数据的传输，并模拟仿真信道误码丢包。

8）信道容量自适应模块

信道容量自适应模块从卫星信道模块中获得信道的误码参数信息，执行信道容量自适应算法，计算秘密信息嵌入容量，并将其输入到秘密信息嵌入模块。

如图1所示，本发明实现过程如下：

a、对信源数据进行信道编码；

b、利用信道的误比特率信息，计算得到隐蔽通信容量；

c、利用秘密信息嵌入算法将秘密信息嵌入到编码后的信源数据；

d、利用秘密信息提取算法从接收到的信源数据提取出秘密信息；

e、对接收到的信源数据进行信道译码；

本发明针对不同的信道编码算法，提出了秘密信息嵌入的容量自适应方法。

a、基于分组码的容量自适应算法

假设信道编码采用分组编码以及直接替代的信息嵌入算法。隐藏信息经过纠错编码嵌入到信源数据经过信道编码后的载体数据当中，进行信道传输，在接收端再进行隐藏信息提取和信道译码。记信道编码参数为(n₁,k₁)（n₁是码字长度，k₁是信息码元位数），纠错能力为t₁，隐藏信息的纠错编码参数为(n₂,k₂)，纠错能力为t₂，每组信道编码的码字里嵌入m个经纠错编码的隐藏信息的码字。

考虑信源的载体数据在信道译码处经过纠错后，其误比特率小于等于某个阈值T的情况下，隐藏信息能达到的最大嵌入容量。

在未嵌入隐藏信息的情况下纠错后的信道编码误比特率为：

$P_{b_0}=\frac{1}{n}\underset{i=t_1+1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\β}}_i{C}_{n_1}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-i}$

其中，β_i表示经过信道产生i位符号错误时，经纠错后编码码字中错误符号的平均位数。容易知道β_i满足：

$\left\{\begin{array}{c}i=t_1\≤{\mathrm{\β}}_i\≤i+t_1,i>t_1\\ {\mathrm{\β}}_i=0,i\≤t_1\end{array}\right.$

i是标号，

是组合数，p_e是每个比特出错的概率，

是p_e的i次幂。

于是，信道编码误比特率可以取上限为：

$P_{b_0}\≈\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}(i+t_1)C_{n_1}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-i}$

在嵌入m位隐藏信息的情况下，记隐藏信息对信道编码码字造成的符号错误位数为j，而这j位中因信道而产生的符号错误位数为k。另外记剩下的n₁-j位中因信道而产生的符号错误位数为i。那么，此时单个信道编码码字经过信道后错误符号的位数为i+j-k。于是纠错后的信道编码误比特率为：

$P_{b_1}\≈\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j+k}{\overset{n_1-j+k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(i+j-k+t_1)C_{n_1-j}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-j-i}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_j^k{p}_e^k{(1-p_e)}^{j-k}$

$\≤\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j}{\overset{n_1-j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(i+j+t_1)C_{n_1-j}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-j-i}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}$

为了保证纠错后的信道编码误比特率小于等于阈值T，只需要满足：

$\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j}{\overset{n_1-j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(i+j+t_1)C_{n_1-j}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-j-i}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}\≤T$

对该式求解，便可以求出m的最大值。

此外，可以得到隐藏信息纠错后的误比特率上限为：

$P_{b_2}\≈\frac{1}{n_2}\underset{i=t_2+1}{\overset{n_2}{\mathrm{\Σ}}}(i+t_2)C_{n_2}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_2-i}$

可以根据该式子，按实际需要选择隐藏信息所使用的纠错编码。

b、基于RS码的容量自适应算法

RS码可以视为BCH码的特例，而BCH码其实是一种常用的分组码。但RS码一般相当于多元的BCH码，因此无法直接使用上小节的推论得到相应的嵌入容量。记信道采用的RS编码参数为(n₁,k₁)，纠错能力为t₁，码元为Q进制，最小距离为d_min，且参数满足：

n₁＝Q-1

n₁-k₁＝2t₁

d_min＝2t₁+1

进一步假设该Q进制RS码的Q取成2的幂次，记Q＝2^q。考虑到信道编码是Q进制，隐藏信息也是Q进制时才适合嵌入。这样，隐藏信息的嵌入方法就跟分组码类似了。为方便起见，隐藏信息的纠错编码采用也采用RS码，参数为(n₂,k₂)，纠错能力为t₂，其中：

n₂＝n₁＝Q-1

n₂-k₂＝2t₂

假设每组Q进制信道编码的码字里嵌入m个经纠错编码的隐藏信息的Q进制码字。对于初始为二进制的信源数据和隐藏信息转换为Q进制，方法是将每q个二进制的码元变换成一个Q进制的码元。

需要注意的是，因为是Q进制的码字需要考虑的是误符号率，所以推导过程中也使用误符号率表示。记信道误符号率为p_e′，满足：

p_e′＝1-(1-p_e)^q

一般，RS码在纠错后的信道编码误符号率为：

$P_{s_0}=\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1}{\overset{n_1}{\mathrm{\Σ}}}i{C}_{n_1}^i{p}_e^{\′i}{(1-p_e^{\′})}^{n_1-i}$

下面考虑嵌入隐藏信息的情况。

与分组码类似，在嵌入m位隐藏信息的情况下，记隐藏信息对信道编码码字造成的符号错误位数为j，而这j位中因信道而产生的符号错误位数为k。另外记剩下的n₁-j位中因信道而产生的符号错误位数为i。那么，此时单个信道编码码字经过信道后错误符号的位数为i+j-k。于是纠错后的信道编码误符号率为：

$P_{s_1}\≈\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j+k}{\overset{n_1-j+k}{\mathrm{\Σ}}}\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(i+j-k)C_{n_1-j}^i{p}_e^{\′i}{(1-p_e^{\′})}^{n_1-j-i}{C}_m^j{(1-\frac{1}{Q})}^j{\left(\frac{1}{Q}\right)}^{m-j}{C}_j^k{p}_e^{\′k}{(1-p_e^{\′})}^{j-k}$

$\≤\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j}{\overset{n_1-j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(i+j)C_{n_1-j}^i{p}_e^{\′i}{(1-p_e^{\′})}^{n_1-j-i}{C}_m^j{(1-\frac{1}{Q})}^j{\left(\frac{1}{Q}\right)}^{m-j}$

对于使用FSK调制的信道而言，信道编码的误比特率可以表示为：

$P_{b_1}=\frac{2^{q-1}}{2^q-1}{P}_{s_1}$

对于使用非FSK调制的信道而言，信道编码的误比特率可以表示为：

$P_{b_1}=\frac{1}{q}{P}_{s_1}$

所以为了保证纠错后的信道编码误比特率小于等于阈值T，只需要满足：

$\frac{2^{q-1}}{2^q-1}\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j}{\overset{n_1-j}{\mathrm{\Σ}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}(i+j)C_{n_1-j}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-j-i}{C}_m^j{(1-\frac{1}{Q})}^j{\left(\frac{1}{Q}\right)}^{m-j}\≤T$

对该式求解，便可以求出m的最大值。

c、基于卷积码的容量自适应算法

假设信道编码采用卷积码以及直接替代的信息嵌入算法。隐藏信息经过纠错编码嵌入到信源数据经过信道编码后的载体数据当中，进行信道传输，在接收端再进行隐藏信息提取和信道译码。记信道编码参数为(n₁,k₁,L)（n₁是码字长度，k₁是信息码元位数，L表示关联码字个数），自由距离为d_f，则编码约束长度为N_A＝L+1，纠错能力为t₁。隐藏信息的纠错分组编码参数为(n₂,k₂)，纠错能力为t₂，每组约束长度下的信道编码的码字里嵌入m个经纠错编码的隐藏信息的码字。

根据卷积码的特性，在译i时刻的码字时，同时要用到前L个码字的信息。这时，只要这L+1个码字的误比特数不超过纠错能力t₁，就能成功进行纠错译码。为方便求解，这里假设使用定译码，即采用原始接收的、未经纠错译码的码组作为前L个码字。

这里考虑信源的载体数据在信道译码处经过纠错译码后，其误比特率小于等于某个阈值T的情况下，隐藏信息能达到的最大嵌入容量。

在未嵌入隐藏信息的情况下纠错译码后的信道编码误比特率上限满足：

$P_{b_0}<\frac{1}{k_1}\underset{i=d_f}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i{P}_i$

其中，假定正确路径是全零路径，那么所有非零的译码估值序列都是差错路径。P_i表示重量为i的差错事件发生的概率，b_i表示所有重量为i的码字序列译码后所对应的信息序列的重量之和。且容易知道P_i满足，i表示序号第i个。

当p_e较小时，可以取信道的误比特率上限为：

$P_b\&ap;\frac{1}{k_1}{b}_{d_f}{P}_{d_f}$

在嵌入m位隐藏信息的情况下，为了计算信道的误比特率仍然要对P_i和b_i进行求解。其中，根据意义可以知道b_i的值是不变的，而P_i的值则发生了改变。

在嵌入隐藏信息的情况下，当重量为d_f的差错事件发生时，一部分的误码由所嵌入的隐藏信息产生，另一部分的误码由信道产生。记隐藏信息对信道编码码字造成的符号错误位数为j，经过信道后这j位产生误码的位数为k。记接收序列的重量为i，那么剩下的(L+1)n₁-j位中因信道而产生的符号错误位数为i-j+k。那么当d_f为奇数时有：

$P_{d_f}=\underset{i=(d_f+1)/2}{\overset{d_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_j^k{p}_e^k{(1-p_e)}^{j-k}{C}_{d_f}^{j-k}{C}_{d_f-j+k}^{i-j+k}{p}_e^{i-j+k}{(1-p_e)}^{d_f-i}$

$\&le;\underset{i=(d_f+1)/2}{\overset{d_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_{d_f}^j{C}_{d_f-j}^{i-j}{p}_e^{i-j}{(1-p_e)}^{d_f-i}$

类似地，当d_f为偶数时有：

$P_{d_f}\&le;\underset{i=d_f/2}{\overset{d_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_{d_f}^j{C}_{d_f-j}^{i-j}{p}_e^{i-j}{(1-p_e)}^{d_f-i}+$

$\frac{1}{2}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_{d_f}^j{C}_{d_f-j}^{d_f/2-j}{p}_e^{d_f/2-j}{(1-p_e)}^{d_f/2}$

由以上式子即可推得信道的误比特率上限表达式。于是取阈值对该表达式进行限制即可求出m的最大值。

d、基于串行级联码的容量自适应算法

串行级联码利用两个短码串接构成一个低复杂度的长码，能有效降低残余误码率,提高较低信噪比性能。这种码属于两级纠错，连接信息源的叫做外编码器，连接信道的叫做内编码器。由于软判决维特比最大似然译码算法适合于约束度较小的卷积码，因此级联码的内码常用卷积码，外码则采用分组码，如RS码、BCH码等。而因为维特比译码是根据序列相似度来确定发送码的。以卷积码为内码时，要么不出错，一旦出错就是一个序列的差错，相当于一个突发差错。因此具有良好纠突发差错能力的RS码成为首选的外码。

设卷积内码是(n₁,k₁,L)，自由距离为d_f，则编码约束长度为N_A＝L+1。RS外码(N₁,K₁)，纠错能力为T₁，码元进制为Q＝2^q，必有N₁＝Q-1，N₁-K₁＝2T₁。由于卷积码最可能的差错序列长度是L+1，RS二进制衍生码纠突发差错的能力是(T-1)q+1，因此内外码原则上应满足(T-1)q+1≥L+1，使卷积码译码差错在大多数情况下能被RS码纠正。

串行级联码的性能取决于内码输出误码率和外码的纠错能力。因此可以考虑把秘密信息直接嵌入到外码RS码中，而把内码卷积码和信道看成一个整体，那样内码就只与输出到外码的误码率有关。

假设信道误比特率为

，可以计算出经内码卷积码纠错后输出到外码RS码的误比特率

。于是，外码RS码面对的误符号率应为：

$p_e^{\&prime;}=q{p}_{e_1}$

进而利用基于RS码的容量自适应算法的结论，即可得到自适应的嵌入容量。

以卷积码为内码的级联码适用于高斯白噪声信道，原因是卷积码本质上属于纠随机差错码而不是纠突发差错码。当卷积码加RS码模式的串行级联码用于突发差错信道，如移动通信的衰落信道时，可以把交织器加在信道编码器和信道调制器之间。可见，采用基于卷积内码，RS外码的串行级联码的信息隐藏方法不仅适用于随机差错的信道模型，也适用于突发差错的信道模型。

本发明提出了一种基于m序列的信道编码信息隐藏算法。算法以原始信息数据的信道编码码字作为嵌入载体，利用m序列对隐藏信息进行伪随机加扰并且确定其嵌入位置，提取译码后不会影响原始信息数据的结构和统计特性，因此具有较高的安全性和不可检测性。

m序列是最大长度线性反馈移位寄存器序列的简称，它具有近似随机序列的性质，又能按一定规律产生和复制，所以称其是伪随机序列。截获者若要获取信息就必须准确知道所用m序列的长度、种类和初始状态，但不同长度的m序列有无数种，同一长度的m序列当级数较大时也有许多种，因此m序列在信息安全上被广泛应用。

一个n级移存器电路，各级寄存器抽头从左到右依次为c₁，…，c_n-1，c_n，即乘法器c_i＝0或c_i＝1，但c_n＝1，否则就退化成n-1级移位寄存器。当给定n级线性移存器的生成多项式为本原多项式，寄存器的初始状态为非全零时，可以产生1到2ⁿ-1之间的伪随机数序列，即m序列。

m序列具有类似白噪声的性质，但它又是周期的、有规律的，可以人为产生和复制。因为其具有类似白噪声的性质，相关函数具有尖锐特性，所以易于从其它信号或干扰中分离出来，具有良好的抗干扰特性。

参照图2，在秘密信息嵌入模块实现了基于m序列的信道编码秘密信息嵌入算法：

①首先利用密钥K₁产生m序列1：

$S_1=(s_{1_1},s_{1_2},s_{1_3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;),s_{1_i}\&le;2^{n_1}-1,i-\mathrm{1,2},...,$

S₁表示一个序列，是一个不大于

的非负整数（i＝1,2,…），n₁是码字长度。

将隐藏信息与这个m序列进行模二加（伪随机加扰）运算，然后进行纠错编码。选用的纠错码类型要根据可靠性需求和信道容量来定，选用纠错能力较强的纠错码时，隐藏信息的可靠性相对较高，但隐藏量相对较小；反之选用纠错能力较弱的纠错码时，隐藏信息的可靠性相对较低，但隐藏量相对较大。将经过纠错编码后的隐藏信息码字序列记为：

②用密钥K₂产生另一m序列2：

$S_2=(s_{2_1},s_{2_2},s_{2_3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;),s_{2_i}\&le;2^{n_2}-1,i-\mathrm{1,2},...,$

利用此m序列选取隐藏信息的嵌入位置。这里，n₂的值由嵌入容量决定。即将经过信道编码的信源数据每

比特分为一组，每一组数据中只嵌入一个比特的隐藏信息。随机数s_i就表示在对应码字载体组的第s_i比特嵌入隐藏信息。嵌入方式采用替换法，即用隐藏信息数据的第s_i比特替换对应码字载体组的第s_i比特。最后将携带隐藏信息的码字载体送入信道进行传输。

参照图3，在秘密信息提取模块实现了基于m序列的信道编码秘密信息提取算法：

①利用密钥K₂生成m序列2：

$S_2=(s_{2_1},s_{2_2},s_{2_3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;),s_{2_i}\&le;2^{n_2}-1,i-\mathrm{1,2},...,$

按照m序列2和提取算法在未经过信道译码的接收数据中提取数据，得到的数据为含有信道噪声的隐藏信息码字序列：

m′＝(m₁′,m₂′,…,m_M′)。

②对含有信道噪声的隐藏信息码字序列m′进行纠错译码。若信道噪声在纠错码的纠错范围内，就可以无错地恢复隐藏信息码字序列：

m＝(m₁,m₂,…,m_M)。

③利用密钥K₁，产生m序列1：

$S_1=(s_{1_1},s_{1_2},s_{1_3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;),s_{1_i}\&le;2^{n_1}-1,i-\mathrm{1,2},...,$

将隐藏信息码字序列译码后的数据与此m序列进行模2加（伪随机去扰）运算，即可得到隐藏的秘密信息。

基于m序列的信道编码信息隐藏算法具有较高的安全性。因为对于截获方一般是直接对接收数据进行信道译码，判断译码后得数据是否可疑。而当信道噪声与嵌入信息量的和未超过纠错码的纠错能力时，则可以无错地恢复出信源数据。译码得到的数据同发送方的信源数据完全一致，所以监听者不会怀疑接收的数据中含有隐藏信息。

卡方分析的思想是当加密信息以LSB方式嵌入图像掩体时将导致隐写载体相邻色彩索引值或DCT系数出现的频率趋于一致的统计特征，通过统计这个特征从而判断有无隐藏信息。对于DCT系数的LSB方法，就是用秘密信息的比特代替量化DCT系数的最低比特位。由于额外信息的影响，嵌入秘密信息后的图像与原始图像的DCT系数直方图分布将发生变化。卡方分析是一种强有力的统计检测方法，基本上可以用于所有的传统信息隐藏技术。卡方分析具体计算方法如下：

设(2i,2i+1)是一对值，记像素值等于2i的像素个数为n_2i，记像素值等于2i+1的像素个数为n_2i+1。

嵌入一个均匀分布信息的理论期望频率分布是：

$y_i^{*}=\frac{n_{2i}+n_{2i+1}}{2}$

样本分布频率为：

y_i＝n_2i

构造χ²统计量：

${\mathrm{\&chi;}}^2=\underset{i=1}{\overset{v+1}{\mathrm{\&Sigma;}}}\frac{(y_i-y_i^{*})}{y_i^{*}}$

其中v是自由度。计算衡量是否有信息嵌入的概率值P：

$P=1-{\&Integral;}_0^{{\mathrm{\&chi;}}^2}\frac{t^{(v-2)/2}{e}^{-t/2}}{2^{v/2}\mathrm{\&Gamma;}(v/2)}\mathrm{dt}$

其中，自由变量t∈(0,χ²)，Γ(·)是伽马函数。

若有均匀分布的秘密信息嵌入，

和y_i非常接近，因此χ²非常小，则概率P接近于1。反之若没有秘密信息嵌入，

和y_i相差很大，因此χ²非常大，则概率P的值非常小，甚至接近于0，由此可以得出概率P接近于1时，图像含有隐藏的秘密信息，概率P接近于0时，图像不包含隐藏的秘密信息的结论。并且可以根据概率值的大小来估计秘密信息的嵌入位置。

RS分析的思想是当秘密信息被嵌入到载体图像数据的最低位后，像素灰度值之间的相关性会在一定程度上受到破坏，利用这个特性就能检测数字媒体中是否含有秘密信息。RS密写分析时，首先将待检测图像分为许多大小相等的图像块，再对每个小图像块随机抽取部分像素做特定映射，然后计算其混乱程度是否增强，并计算混乱度增加的图像块在所有图像块中占的比例。如果待检测图像没有经过信息隐藏处理，那么即便采用不同的映射，从统计特性上来说，会同等程度地增加图像块的混乱度。相反，则根据不同的映射，得到的混乱度会有明显差别。RS分析具体计算方法如下：

给定一个图像块，可以用下式表示混乱程度：

f(X)＝∑|X-X₁|+∑|X-X₂|

其中，X是图像块的灰度值矩阵，X₁表示将X左移一列，X₂表示将X下移一行，f(X)表示相邻像素灰度差值的绝对值总和。f(X)越大，表示该图像块越混乱，相邻像素间的相关性越小。记F₁为2i与2i+1的互相映射关系，即

F_-1为2i-1与2i的互相映射关系，即密写就相当于对部分像素应用F₁映射。

RS密写分析时，首先将待检测图像分为很多大小相等的图像块，再对每个小图像块随机抽取部分（如1/2）像素进行F₁映射，然后利用f(X)计算其混乱程度是否增加，并计算混乱度增加的图像块在所有图像块中占的比例，记为R₊；而将混乱度减少的图像块在所有图像块中占的比例记为S₊，一般说来，R₊+S₊＜1；最后应用F_-1映射在每个小图像块中进行类似的处理，也记下混乱度增加和减少的图像块的比例，分别为R_-和S_-。

如果待检测图像没有经过密写处理，那么无论应用F₁映射，还是应用F_-1映射，从统计特性上来说，会同等程度地增加图像块的混乱度，也就是说，R₊≈R_-，S₊≈S_-，且R₊＞S₊，R_-＞S_-。

如果待检测图像是经过密写处理的，则无论应用F₁映射，还是应用F_-1映射的结果都会有明显差别。具体地说，对原始载体图像进行密写本来就是对部分像素应用了F₁映射，现在，再对密写图像的部分像素应用F₁映射，这样所有像素就可以分为没有被映射处理、经历过一次映射的、经历过二次映射的3类，其中第3类像素经历了两次F₁映射，又回到了原始值；而如果对密写图像的部分像素应用F₁映射，也会有一些像素经历了两次映射，但由于这些像素经历的是一次F₁映射和一次F_-1映射，与原始值就会偏离得更远。因此，应用F_-1映射对混乱度的增加要大于应用F₁映射对混乱度的增加。

RS统计检测方法首先通过计算R₊、S₊、R_-、S_-，然后通过比较它们的关系来检测载体图像数据中是否含有秘密信息。另外，RS统计还可以进一步对秘密信息进行估计，即先根据载体图像计算R₊、S₊、R_-、S_-，然后将载体图像数据最低比特全部翻转后，再使用同样的方法计算R₊′、S₊′、R_-′、S_-′；最后根据这两组数据估计出秘密信息量。

可以看到，这两种方法都是基于统计的检测方法，即将嵌入秘密信息后的多媒体载体进行分析，从而找出与正常图像在统计特性上的差别。

本发明采用基于纠错码的信息隐藏技术，即利用信道编码中的冗余信息嵌入额外的秘密信息。在发送方，所利用的载体在经过信道编码后才嵌入秘密信息；在接收方，从载体信息提取出秘密信息后需要经过信道译码。所以，接收方最后得到的载体并不包含秘密信息。此外，本发明所提出的容量自适应算法能保证载体在接收方经过信道译码后能得到完全恢复，不影响其正常使用。如果载体是数字图像，那么经过信道编码、秘密信息嵌入、信道传输、秘密信息提取及信道译码后，接收方能得到与原始载体相同的数字图像。所以针对传统信息隐藏的分析方法，如卡方分析、RS分析，无法对本课题所采用的信息隐藏技术进行检测。

本发明未详细阐述部分属于本领域公知技术。

以上所述，仅为本发明部分具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本领域的人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，通过信道容量自适应技术控制秘密信息嵌入，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

a、对信源数据进行信道编码；

b、利用信道的误比特率信息，计算得到隐蔽通信容量；

c、利用秘密信息嵌入算法将秘密信息嵌入到编码后的信源数据；

d、利用秘密信息提取算法从接收到的信源数据提取出秘密信息；

e、对接收到的信源数据进行信道译码。

2.根据权利要求1所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤b中，计算得到隐蔽通信容量采用基于分组码的容量自适应算法、基于RS码的容量自适应算法、基于卷积码的容量自适应算法或基于串行级联码的容量自适应算法。

3.根据权利要求2所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述基于分组码的容量自适应算法实现如下：

假设信道编码采用分组编码以及直接替代的信息嵌入算法，隐藏信息经过纠错编码嵌入到信源数据经过信道编码后的载体数据当中，进行信道传输，在接收端再进行隐藏信息提取和信道译码，记信道编码参数为(n₁,k₁)，纠错能力为t₁，隐藏信息的纠错编码参数为(n₂,k₂)，纠错能力为t₂，每组信道编码的码字里嵌入m个经纠错编码的隐藏信息的码字，

（1）在未嵌入隐藏信息的情况下，计算纠错后的信道编码误比特率为：

$P_{b_0}\&ap;\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1}{\overset{n_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}{\mathrm{\&beta;}}_i{C}_{n_1}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-i}$

其中，β_i表示经过信道产生i位符号错误时，经纠错后编码码字中错误符号的平均位数；容易知道β_i满足：

$\left\{\begin{array}{c}i=t_1\&le;{\mathrm{\&beta;}}_i\&le;i+t_1,i>t_1\\ {\mathrm{\&beta;}}_i=0,i\&le;t_1\end{array}\right.$

（2）根据步骤（1）的计算结果得到，信道编码误比特率的上限为：

$P_{b_0}\&ap;\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1}{\overset{n_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}(i+t_1)C_{n_1}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-i}$

（3）在嵌入m位隐藏信息的情况下，计算纠错后的信道编码误比特率为：

$P_{b_1}\&ap;\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j+k}{\overset{n_1-j+k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(i+j-k+t_1)C_{n_1-j}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-j-i}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_j^k{p}_e^k{(1-p_e)}^{j-k}$

$\&le;\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j}{\overset{n_1-j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(i+j+t_1)C_{n_1-j}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-j-i}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}$

其中，j表示隐藏信息对信道编码码字造成的符号错误位数，k表示这j位中因信道而产生的符号错误位数，而记剩下的n₁-j位中因信道而产生的符号错误位数为i，此时单个信道编码码字经过信道后错误符号的位数为i+j-k；

（4）考虑信源的载体数据在信道译码处经过纠错后，其误比特率小于等于某个阈值T的情况下，隐藏信息能达到的最大嵌入容量，为了保证纠错后的信道编码误比特率小于等于阈值T，只需要满足：

$\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j}{\overset{n_1-j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(i+j+t_1)C_{n_1-j}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-j-i}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}\&le;T$

（5）对步骤（4）中的式子求解，便能够求出m的最大值；此外，能够得到隐藏信息纠错后的误比特率上限为：

$P_{b_2}\&ap;\frac{1}{n_2}\underset{i=t_2+1}{\overset{n_2}{\mathrm{\&Sigma;}}}(i+t_2)C_{n_2}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_2-i}$

根据该式子，按实际需要选择隐藏信息所使用的纠错编码。

4.根据权利要求2所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述基于RS码的容量自适应算法实现步骤如下：

（1）记信道采用的RS编码参数为(n₁,k₁)，纠错能力为t₁，码元为Q进制，最小距离为d_min，且参数满足：n₁＝Q-1，n₁-k₁＝2t₁，d_min＝2t₁+1，该Q进制RS码的Q取成2的幂次，记Q＝2^q，隐藏信息的纠错编码采用也采用RS码，参数为(n₂,k₂)，纠错能力为t₂，其中n₂＝n₁＝Q-1，n₂-k₂＝2t₂，

每组Q进制信道编码的码字里嵌入m个经纠错编码的隐藏信息的Q进制码字，计算RS码在纠错后的信道编码误符号率为：

$P_{s_0}=\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1}{\overset{n_1}{\mathrm{\&Sigma;}}}i{C}_{n_1}^i{p}_e^{\&prime;i}{(1-p_e^{\&prime;})}^{n_1-i}$

其中，信道误符号率p_e′＝1-(1-p_e)^q；

（2）在步骤（1）的基础上，计算在嵌入m位隐藏信息的情况下纠错后的信道编码误符号率为：

$P_{s_1}\&ap;\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j+k}{\overset{n_1-j+k}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(i+j-k)C_{n_1-j}^i{p}_e^{\&prime;i}{(1-p_e^{\&prime;})}^{n_1-j-i}{C}_m^j{(1-\frac{1}{Q})}^j{\left(\frac{1}{Q}\right)}^{m-j}{C}_j^k{p}_e^{\&prime;k}{(1-p_e^{\&prime;})}^{j-k}$

$\&le;\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j}{\overset{n_1-j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(i+j)C_{n_1-j}^i{p}_e^{\&prime;i}{(1-p_e^{\&prime;})}^{n_1-j-i}{C}_m^j{(1-\frac{1}{Q})}^j{\left(\frac{1}{Q}\right)}^{m-j}$

其中，j为隐藏信息对信道编码码字造成的符号错误位数，k为这j位中因信道而产生的符号错误位数，而剩下的n₁-j位中因信道而产生的符号错误位数为i，此时单个信道编码码字经过信道后错误符号的位数为i+j-k；

（3）根据步骤（2），对于使用FSK调制的信道而言，信道编码的误比特率表示为：

$P_{b_1}=\frac{2^{q-1}}{2^q-1}{P}_{s_1};$

（4）根据步骤（2），对于使用非FSK调制的信道而言，信道编码的误比特率表示为：

$P_{b_1}=\frac{1}{q}{P}_{s_1}$

（5）为了保证纠错后的信道编码误比特率小于等于阈值T，只需要满足：

$\frac{2^{q-1}}{2^q-1}\frac{1}{n_1}\underset{i=t_1+1-j}{\overset{n_1-j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}(i+j)C_{n_1-j}^i{p}_e^i{(1-p_e)}^{n_1-j-i}{C}_m^j{(1-\frac{1}{Q})}^j{\left(\frac{1}{Q}\right)}^{m-j}\&le;T$

对该式求解，便求出m的最大值。

5.根据权利要求2所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述基于卷积码的容量自适应算法实现步骤如下：

（1）假设信道编码采用卷积码以及直接替代的信息嵌入算法。隐藏信息经过纠错编码嵌入到信源数据经过信道编码后的载体数据当中，进行信道传输，在接收端再进行隐藏信息提取和信道译码，记信道编码参数为(n₁,k₁,L)，自由距离为d_f，则编码约束长度为N_A＝L+1，纠错能力为t₁，隐藏信息的纠错分组编码参数为(n₂,k₂)，纠错能力为t₂，每组约束长度下的信道编码的码字里嵌入m个经纠错编码的隐藏信息的码字；

在未嵌入隐藏信息的情况下，计算纠错译码后的信道编码误比特率上限满足：

$P_{b_0}<\frac{1}{k_1}\underset{i=d_f}{\overset{\&infin;}{\mathrm{\&Sigma;}}}{b}_i{P}_i$

其中，P_i表示重量为i的差错事件发生的概率，b_i表示所有重量为i的码字序列译码后所对应的信息序列的重量和，并且P_i满足：

（2）根据步骤（1），当p_e较小时，可以取信道的误比特率上限为：

$P_b\&ap;\frac{1}{k_1}{b}_{d_f}{P}_{d_f}$

（3）在嵌入隐藏信息的情况下，计算d_f，记隐藏信息对信道编码码字造成的符号错误位数为j，经过信道后这j位产生误码的位数为k，接收序列的重量记为i，剩下的(L+1)n₁-j位中因信道而产生的符号错误位数为i-j+k；当d_f为奇数时有：

$P_{d_f}=\underset{i=(d_f+1)/2}{\overset{d_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{k=0}{\overset{j}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_j^k{p}_e^k{(1-p_e)}^{j-k}{C}_{d_f}^{j-k}{C}_{d_f-j+k}^{i-j+k}{p}_e^{i-j+k}{(1-p_e)}^{d_f-i}$

$\&le;\underset{i=(d_f+1)/2}{\overset{d_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_{d_f}^j{C}_{d_f-j}^{i-j}{p}_e^{i-j}{(1-p_e)}^{d_f-i}$

类似地，当d_f为偶数时有：

$P_{d_f}\&le;\underset{i=d_f/2}{\overset{d_f}{\mathrm{\&Sigma;}}}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_{d_f}^j{C}_{d_f-j}^{i-j}{p}_e^{i-j}{(1-p_e)}^{d_f-i}+$

$\frac{1}{2}\underset{j=0}{\overset{m}{\mathrm{\&Sigma;}}}{C}_m^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^j{\left(\frac{1}{2}\right)}^{m-j}{C}_{d_f}^j{C}_{d_f-j}^{d_f/2-j}{p}_e^{d_f/2-j}{(1-p_e)}^{d_f/2}$

（4）考虑信源的载体数据在信道译码处经过纠错译码后，其误比特率小于等于某个阈值T的情况下，隐藏信息能达到的最大嵌入容量，根据步骤（3）即求得信道的误比特率上限表达式。

6.根据权利要求2所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述基于串行级联码的容量自适应算法实现步骤如下：

（1）假设卷积内码是(n₁,k₁,L)，自由距离为d_f，则编码约束长度为N_A＝L+1，RS外码(N₁,K₁)，纠错能力为T₁，码元进制为Q＝2^q，则有N₁＝Q-1，N₁-K₁＝2T₁；

卷积码最可能的差错序列长度是L+1，RS二进制衍生码纠突发差错的能力是(T-1)q+1，因此内外码原则上应满足(T-1)q+1≥L+1，使卷积码译码差错在大多数情况下能被RS码纠正；

（2）计算外码RS码的误符号率为：

$p_e^{\&prime;}=q{p}_{e_1}$

其中，经内码卷积码纠错后输出到外码RS码的误比特率

（3）根据步骤（2），利用基于RS码的容量自适应算法的结论，即可获得自适应的嵌入容量。

7.根据权利要求1所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤c中的秘密信息嵌入算法为一种基于m序列的信道编码信息隐藏算法，以原始信息数据的信道编码码字作为嵌入载体，利用m序列对隐藏信息进行伪随机加扰并且确定其嵌入位置，提取译码后不会影响原始信息数据的结构和统计特性，具体实现步骤如下：

（1）首先利用密钥K₁产生m序列1：

$S_1=(s_{1_1},s_{1_2},s_{1_3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;),s_{1_i}\&le;2^{n_1}-1,i-\mathrm{1,2},...,$

将隐藏信息与这个m序列进行模二加运算，然后进行纠错编码，将经过纠错编码后的隐藏信息码字序列记为m＝(m₁,m₂,…,m_M)；

（2）用密钥K₂产生另一m序列2：

$S_2=(s_{2_1},s_{2_2},s_{2_3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;),s_{2_i}\&le;2^{n_2}-1,i-\mathrm{1,2},...,$

利用此m序列选取隐藏信息的嵌入位置,n₂的值由嵌入容量决定；即将经过信道编码的信源数据每比特分为一组，每一组数据中只嵌入一个比特的隐藏信息，随机数s_i表示在对应码字载体组的第s_i比特嵌入隐藏信息；嵌入方式采用替换法，即用隐藏信息数据的第s_i比特替换对应码字载体组的第s_i比特；

（3）最后将携带隐藏信息的码字载体送入信道进行传输。

8.根据权利要求1所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤在d中的秘密信息提取算法为基于m序列的信道编码秘密信息提取算法，具体实现如下：

（1）利用密钥K₂生成m序列2：

$S_2=(s_{2_1},s_{2_2},s_{2_3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;),s_{2_i}\&le;2^{n_2}-1,i-\mathrm{1,2},...,$

按照m序列2和提取算法在未经过信道译码的接收数据中提取数据，得到的数据为含有信道噪声的隐藏信息码字序列：

m′＝(m₁′,m₂′,…,m_M′)；

（2）对含有信道噪声的隐藏信息码字序列m′进行纠错译码，若信道噪声在纠错码的纠错范围内，就能够无错地恢复隐藏信息码字序列：

m＝(m₁,m₂,…,m_M)；

（3）利用密钥K₁，产生m序列1：

$S_1=(s_{1_1},s_{1_2},s_{1_3}\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;),s_{1_i}\&le;2^{n_1}-1,i-\mathrm{1,2},...,$

将隐藏信息码字序列译码后的数据与此m序列进行模2加运算，即得到隐藏的秘密信息。

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