CN106714148A - 一种基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法 - Google Patents

Abstract

一种基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法，隐蔽信息在物理层的隐藏方法包括以下步骤：1‑1生成一个高斯序列作为参考序列η₁，发送给合法接收方；1‑2如果隐蔽信息已经发送完毕，则结束；否则，生成一个与η₁独立的高斯序列ξ；根据隐蔽信息比特选择相关系数ρ；生成新的高斯序列η₂，并发送给合法接收方；1‑3η₂序列拷贝至η₁，再转到步骤1‑2；隐蔽信息在物理层的估计方法包括以下步骤：2‑1接收方接收到发送方发送的隐蔽信号λ₁；2‑2接收方接收到一个新的、相邻的隐蔽信号λ₂，计算λ₁、λ₂之间的相关系数；2‑3将相关系数的估计值通过一个判决器，得到发送方发送的隐蔽信息比特的估计值；2‑4λ₃序列拷贝至λ₁，再转到2‑2。本发明具有很强的隐蔽性。

Description

一种基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法

技术领域

本发明涉及无线通信和信息安全技术领域，具体涉及一种基于联合正态分布的隐蔽通信方法。

背景技术

无线通信系统的广播特性使得数据在传输过程中容易遭到潜在的非法用户的截取。传统的基于密钥协议的保密方法都是假设窃听方的计算能力是收到限制的，这意味着随着超计算机的出现，破译密码是可能的。因此，基于密钥协议的保密方案已经面临淘汰，找出一种可行的替代方案迫在眉睫。

目前，有学者提出了基于信息论的物理层安全通信方案，这类方案为合法用户之间的通信提供了所谓的“绝对保密”。但是，这种方法只是阻止了非法用户窃取有效通信内容，非法用户还是能够检测到合法用户之间通信的信号，合法用户的通信的隐蔽性依旧无法得到保证。

为了弥补以上保密技术的缺陷，有学者提出一种利用服从对称alpha分布(SαS)的噪声来实现隐蔽通信的数字通信系统。隐蔽信息通过控制特征指数，使得发送的隐蔽信号具备与信道噪声相似的随机特性，非法用户无法区分噪声的来源，进而无法检测到合法用户之间的通信，因此，通信的安全性和隐蔽性同时得到了保证；合法的接收方收到隐蔽信号后，通过估计特征指数提取隐蔽信息。但是对于不同特征指数的SαS信号，其时域上的脉冲特性不同，这大大降低了合法用户之间通信的隐蔽性。

发明内容

为了克服已有通信方法的隐蔽性较差的不足，本发明提供了一种具有很强的隐蔽性的基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法；利用高斯分布的噪声序列作为隐蔽信号来传输隐蔽信息，高斯噪声存在于实际的无线通信系统中，对于窃听方而言，很难区分收到的噪声是来源于背景噪声还是通信双方发射的隐蔽信号，因此具有很强的隐蔽性。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法，包括隐蔽信息在物理层的隐藏方法和估计方法；所述隐蔽信息在物理层的隐藏方法包括以下步骤：

1-1:生成一个高斯序列作为参考序列，记为η₁，发送给合法接收方。

1-2:如果隐蔽信息已经发送完毕，则结束。否则，生成一个与η₁独立的高斯序列，记为ξ；根据隐蔽信息比特选择相关系数ρ；根据公式生成新的高斯序列η₂，并发送给合法接收方；

1-3:η₁←η₂，也即η₂序列拷贝至η₁，再转到步骤1-2；

所述隐蔽信息在物理层的估计方法包括以下步骤：

2-1:接收方接收到发送方发送的隐蔽信号λ₁；

2-2:接收方接收到一个新的、相邻的隐蔽信号λ₂，计算λ₁、λ₂之间的相关系数；

2-3:将步骤2-2中计算得到的相关系数的估计值通过一个判决器，得到发送方发送的隐蔽信息比特的估计值；

2-4:λ₁←λ₂，也即λ₃序列拷贝至λ₁，再转到2-2。

进一步，所述步骤1-1中，生成高斯序列并发送给合法的接收方，过程如下：

设隐蔽信息的比特周期为Tb；在Tb时间内，设高斯序列的长度为N，生成一个均值为0、方差为的高斯序列作为隐蔽通信系统信息传输的起始参考序列。

再进一步，所述步骤1-2中，根据隐蔽信息比特选择相关系数，生成一个新的高斯序列，并发送给合法接收方，过程如下：

首先，判断隐蔽信息是否发送完毕，若已发送完毕，则结束；否则继续执行接下来的步骤；

第i个隐蔽信息比特b，确定相关系数，当待传输的隐蔽信息比特为“1”时，选择ρ₁作为相关系数；当待传输的隐蔽信息比特为“0”时，选择ρ₀作为相关系数，也即

选取ρ₀＝-ρ₁＝-δ,0＜δ＜1；

在同一T_b内，生成一个均值为0、方差为高斯序列 且与步骤1-1中的高斯序列η₁是相互独立的；用相关系数ρ、序列和ξ，生成一组新的高斯序列其数学表达式如下：

将η₂发送给合法的接收方，向量η₁、η₂为服从联合正态分布序列。

更进一步，所述步骤2-1中，接收方接收到发送方发送的隐蔽信号λ₁的过程如下：

接收方接收到经过信道污染之后的发送方发送的隐蔽信号 其数学表达式为：

λ₁＝η₁+w₁

式中是信道噪声。

所述步骤2-2中，接收方接收到一个新的、相邻的隐蔽信号λ₂，并计算λ₁与λ₂之间的相关系数：

接收方接收到一个新的与λ₁相邻的隐蔽信号其数学表达式为：

λ₂＝η₂+w₂

式中是信道噪声；

计算向量λ₁、λ₂的相关系数ρ，其数学表达式为：

其中

所述步骤2-3中，合法接收方估计得到的隐蔽信息的比特记作为根据步骤2-2得到的来做估计，其估计的方案如下：

本发明的技术构思为：高斯噪声序列作为合法通信双方的隐蔽信号，发送方利用相邻高斯序列之间的相关系数来传输隐蔽信息比特。接收方收到相邻噪声序列后，估计出相关系数，从而判决得到隐蔽信息比特。由于高斯序列拥有与信道噪声相似的随机特性，非法用户即 便收到了隐蔽信号，依旧无法区分其信号源。因此，本发明具备良好的隐蔽性。此外，合理的安排隐蔽信号的发射功率和高斯序列的长度以及合理的相关系数，能够使合法双方之间通信的可靠性大大增强。

本发明的有益效果主要表现在：具有很强的隐蔽性。

附图说明

图1是基于联合正态随机过程的隐蔽通信系统的原理图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。

参照图1，一种基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法，包括发送端的信息隐藏与接收端的信息恢复处理，

所述隐蔽通信系统发送端的信息隐藏包括以下步骤：

步骤1-1，设隐蔽信息的比特周期为T_b；在T_b时间内，设高斯序列的长度为N。生成一个均值为0、方差为的高斯序列 作为隐蔽通信系统信息传输的起始参考序列。

步骤1-2中，对第i个隐蔽信息比特b，确定相关系数ρ。具体地说，当待传输的隐蔽信息比特为“1”时，选择ρ₁作为相关系数；当待传输的隐蔽信息比特为“0”时，选择ρ₀作为相关系数，也即

为了接收端判决方便，本发明选取ρ₀＝-ρ₁＝-δ,0＜δ＜1。

在同一T_b内，生成一个均值为0、方差为σ_s ²高斯噪声序列 且与步骤1-1中的高斯噪声序列是相互独立的。用相关系数ρ、序列η₁和ξ，生成一组新的高斯噪声序列其数学表达式如下：

向量η₁、η₂服从联合正态分布噪声序列。

在同一个T_b中，将η₂发送给合法的接收方。由此，系统发送端已经完成信息的隐蔽和发送任务。

步骤1-3，η₁←η₂，也即η₂序列拷贝至η₁，再转到1-2。

所述接收端的隐蔽信息恢复方法包括以下步骤：

步骤2-1，接收方接收到经过信道污染之后的发送方发送的隐蔽信号(高斯序列)

λ₁＝η₁+w₁

式中是信道噪声。

步骤2-2，接收方接收到一个新的、与λ₁相邻的隐蔽信号(高斯序列)

λ₂＝η₂+w₂

式中是信道噪声。

计算向量λ₁、λ₂的相关系数r，其数学表达式为：

其中假设信道噪声w₁和w₂是服从均值为0、方差为的加性高斯白噪声，则相关系数估计的期望为

式中为信噪比。

相关系数经过Fisher z变换

那么z收敛于均值为方差为的正态分布。

步骤2-3中，合法接收方估计得到的隐蔽信息的比特记作为根据步骤2-2得到的来做判决，其判决的方案如下

根据步骤2-2，可以发现估计的结果会受到信道噪声的干扰，适当提升噪声隐蔽信号的功率将提升估计的准确性，由此可确保隐蔽通信系统传输信息的可靠性。

步骤2-4：λ₁←λ₂，也即λ₃序列拷贝至λ₁，再转到2-2。

Claims (6)

1.一种基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法，其特征在于：包括隐蔽信息在物理层的隐藏方法和估计方法；所述隐蔽信息在物理层的隐藏方法包括以下步骤：

1-1:生成一个高斯序列作为参考序列，记为η₁，发送给合法接收方。

1-2:如果隐蔽信息已经发送完毕，则结束；否则，生成一个与η₁独立的高斯序列，记为ξ；根据隐蔽信息比特选择相关系数ρ；根据公式生成新的高斯序列η₂，并发送给合法接收方；

1-3:η₁←η₂，也即η₂序列拷贝至η₁，再转到步骤1-2；

所述隐蔽信息在物理层的估计方法包括以下步骤：

2-1:接收方接收到发送方发送的隐蔽信号λ₁；

2-2:接收方接收到一个新的、相邻的隐蔽信号λ₂，计算λ₁、λ₂之间的相关系数；

2-3:将步骤2-2中计算得到的相关系数的估计值通过一个判决器，得到发送方发送的隐蔽信息比特的估计值；

2-4:λ₁←λ₂，也即λ₃序列拷贝至λ₁，再转到2-2。

2.如权利要求1所述的基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤1-1中，生成高斯序列并发送给合法的接收方，过程如下：

设隐蔽信息的比特周期为T_b；在T_b时间内，设高斯序列的长度为N，生成一个均值为0、方差为的高斯序列作为隐蔽通信系统信息传输的起始参考序列。

3.如权利要求1或2所述的基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤1-2中，根据隐蔽信息比特选择相关系数，生成一个新的高斯序列，并发送给合法接收方，过程如下：

首先，判断隐蔽信息是否发送完毕，若已发送完毕，则结束；否则继续执行接下来的步骤；

第i个隐蔽信息比特b，确定相关系数，当待传输的隐蔽信息比特为“1”时，选择ρ₁作为相关系数；当待传输的隐蔽信息比特为“0”时，选择ρ₀作为相关系数，也即

选取ρ₀＝-ρ₁＝-δ,0＜δ＜1；

在同一T_b内，生成一个均值为0、方差为高斯序列且与步骤1-1中的高斯序列η₁是相互独立的；用相关系数ρ、序列和ξ，生成一组新的高斯序列其数学表达式如下：

${\mathrm{\η}}_{2,k}={\mathrm{\ρ\η}}_{1,k}+\sqrt{1-{\mathrm{\ρ}}^2}{\mathrm{\ξ}}_k,k=1,2,3,...,N$

将η₂发送给合法的接收方，向量η₁、η₂为服从联合正态分布序列。

4.根据权利要求1或2所述的基于二元联合正态分布的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤2-1中，接收方接收到发送方发送的隐蔽信号λ₁的过程如下：

接收方接收到经过信道污染之后的发送方发送的隐蔽信号其数学表达式为：

λ₁＝η₁+w₁

式中是信道噪声。

5.如权利要求1或2所述的基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤2-2中，接收方接收到一个新的、相邻的隐蔽信号λ₂，并计算λ₁与λ₂之间的相关系数：

接收方接收到一个新的与λ₁相邻的隐蔽信号其数学表达式为：

λ₂＝η₂+w₂

式中是信道噪声；

计算向量λ₁、λ₂的相关系数ρ，其数学表达式为：

$\widehat{\mathrm{\ρ}}=\frac{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}({\mathrm{\λ}}_{1,k}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_1)({\mathrm{\λ}}_{2,k}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2)}{\sqrt{\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{({\mathrm{\λ}}_{1,k}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_1)}^2\underset{k=1}{\overset{N}{\Σ}}{({\mathrm{\λ}}_{2,k}-{\stackrel{\‾}{\mathrm{\λ}}}_2)}^2}}$

其中

6.如权利要求5所述的基于联合正态随机过程的隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤2-3中，合法接收方估计得到的隐蔽信息的比特记作为根据步骤2-2得到的来做估计，其估计的方案如下：