CN107147449A - 一种隐私保护的超声波通信方法 - Google Patents

一种隐私保护的超声波通信方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种隐私保护的超声波通信方法，解决的是被人耳听到、安全性低的技术问题，通过采用包括：(1)发送端读取发送文本，采用一对一编码本编码方法对文本进行编码，将文本文字信息转换为声波包，声波包中的声波频率为人耳听不到的声音频率；(2)对编码得到的声波包通过保留格式加密方法加密生成送加密声波包；(3)发送端通过空气声音信道将加密声波包传输到接收端；(4)接收端接收加密声波包，解密加密声波包，解密后通过与步骤(1)中编码方法对应的解码方法解码，再进行容错处理后输出接收文本的技术方案，较好的解决了该问题。该方案具有隐私性强、通信代价低等有点，可用于隐私保护的超声波通信中。

Description

一种隐私保护的超声波通信方法
技术领域
本发明涉及声波通信领域，具体涉及一种隐私保护的超声波通信方法。
背景技术
随着现代信息技术的不断发展，新一代的通信技术发展迅猛，特别体现在各式各样的无线移动通信上，以LTE、LTE-A为代表的移动通信技术着力于移动通信宽带化的发展；以无线局域网为代表的802.11家族则向宽带通信移动化的方向进行发展；以蓝牙技术为代表的个人通信则向着低功耗高效比的物联网技术进行拓展。而与此同时，计算机安全对于人们日常生活和工作越来越重要，同时人们对它的重视程度也随之提高。由于人耳的听觉特性，人耳对高频声波分量不是特别的敏感，而对于中低声波有较好的接收效率。利用这种特性，使得借助于高频声波在设备间进行信息的隐蔽传输的通信方案变得可行并成功得到了实践。图像、声音等都是生活中常见的信息传输载体，对声音传输的研究也比较深入，在此基础之上，利用声音传输来隐藏信息成为可能。声音具有自己独有的优势，相对于光线的直线传播，声音能够绕开障碍物、全方向等优点。因此，使用声音来传送秘密消息具有额外的好处。
现有的声音隐藏消息方法集中于在人耳可听范围内，在原声中间或者背后加入需要传输的信息。但是存在可能被发现夹杂信息的技术问题。因此，提供一种需考虑与可听声音频率中的信息出现交杂、冲突的隐私保护的超声波通信方法就很有必要。
即使在使用超声波技术来隐蔽通信也有可能被人截获消息，从而泄露数据隐私。为了保护数据隐私，一种最直接的方式就是对数据进行加密。但是传统的加密方案具有密文膨胀的缺点，这会使得通信代价急剧的增长。格式保留加密可以在保留明文格式的前提下保护数据的隐私，同时也不会增加通信代价。因此使用格式保留加密和超声波通信来对传输数据进行双重保护可以加强数据传输时的隐私性。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有技术中存在的通信冲突、安全性低的技术问题。提供一种隐私保护的超声波通信方法，该隐私保护的超声波通信方法具有安全性高、不易冲突的特点。
为解决上述技术问题，采用的技术方案如下：
一种隐私保护的超声波通信方法，所述通信方法包括：
(1)发送端读取发送文本，采用一对一编码本编码方法对文本进行编码，将文本文字信息转换为声波包，声波包中的声波频率为人耳听不到的声音频率；
(2)对编码得到的声波包通过保留格式加密方法加密生成送加密声波包；
(3)发送端通过空气声音信道将加密声波包传输到接收端；
(4)接收端接收加密声波包，解密加密声波包，解密后通过与步骤(1)中编码方法对应的解码方法解码，再进行容错处理后输出接收文本。
本发明的工作原理：在人耳听不到的声音频率中加入信息，由于传送秘密消息的声音载波频率并不在人耳的听觉系统范围之内，因此本发明具有传输隐匿性。同时，由于声波频率处于不同的频段中，所以无需考虑与可听声音频率中的信息出现交杂、冲突的问题。为了保证数据在传输过程当中的隐私性，对传输的信息进行了加密处理，从而保证数据的隐私安全性。
上述方案中，为优化，进一步地，所述一对一编码本编码中任两个声波的频率间隔不小于0.01KHz。
进一步地，所述一对一编码本编码方法还包括校验编码，校验编码采用RS校验方法。
进一步地，所述经过一对一编码本编码方法中的声波包包括20个音节，即20个比特信息位，前两位音节为信息位，中间10位音节为数据位，最后8位为RS校验码。
进一步地，所述音节发送时间间隔为87.2毫秒。
进一步地，所述发送端与接收端点对点、面对面传输。
进一步地，所述保留格式加密方案的加密长度为10。
隐私保护的超声波通信方法基于超声波隐蔽通信系统，系统是指通过数字信号来传递消息的通信系统，主要由传输介质、发射端和接收端三个主要部分组成。
本发明的有益效果：
效果一，不会与人耳能够听到的声音发生冲突；
效果二，保证了数据的安全性和私密性。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1，隐私保护的超声波通信方法示意图。
图2，隐私保护的超声波通信方法中编码流程示意图。
图3，隐私保护的超声波通信方法中解码流程示意图。
图4，RS校验方法流程示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供一种隐私保护的超声波通信方法，所述通信方法包括：
(1)发送端读取发送文本，采用一对一编码本编码方法对文本进行编码，将文本文字信息转换为声波包，声波包中的声波频率为人耳听不到的声音频率；
(2)对编码得到的声波包通过保留格式加密方法加密生成送加密声波包；
(3)发送端通过空气声音信道将加密声波包传输到接收端；
(4)接收端接收加密声波包，解密加密声波包，解密后通过与步骤(1)中编码方法对应的解码方法解码，再进行容错处理后输出接收文本。
本实施例的工作流程：如图1，在发送端输入以字节为单位读入数据。根据不同的传输场景需求，数据包传输的数据字节长度会发生相应变化。每个数据包分别作信道编码处理，发送端通过编码把数据信息转换成不同频率的声波，再利用自身携带的扬声器传播出去，同时保证传输过程中不被人耳发现。接收端通过麦克风接收超声波，再处理收到的声波频段转换为可读取的数据信息。为了降低接收端的误码率，提高传输系统的可靠性，发送端和收端尽量保证点对点、面对面传输，并且减少传输过程中的障碍物或反射物。
一对一编编码本编码方式主要是指原编码本中包含一个所需传输的声波频段的所有声波频率，然后每一个声波频率是与传输数据信息一一对应的，两者之间可以实现相互转换，主要原因是声波频率的唯一性，如果发生一对多或者多对多的情况，可能会引起转换错误。由此可见编码本内声波频率数据的数量应该大于我们所需要传输的文字信息的字符数量，才有可能实现正确无误的传输。
为防止声波频率相近可能造成的编解码错误，优选地，所述一对一编码本编码中任两个声波的频率间隔不小于0.01KHz。
具体地，所述一对一编码本编码方法的编编码本采用16进制。如图2，为隐私保护的超声波通信方法中编码流程示意图。本实施例的字符编码是基于UTF-8，UTF-8是一种针对Unicode的可变长度字符编码，又被称为万国码。UTF-8用1到6个字节编码Unicode字符。用在网页上可以统一页面显示中文简体繁体以及其它语言。UTF-8采用变长字节表示，可以兼容ASCII码，利用网络传输时，即使错了一个字节，并不影响其他字节。如果只有一个字节，则其最高二进制位为0，如果是多字节，其第一个字节从最高位开始，连续的二进制位值为1的个数决定了其编码的字节数，其余各字节均以10开头。UTF-8可以有效的表示编码空间内的所有Unicode字符，并且UTF-8编码时ASCII字符只占1个字节，存储效率比较高，适用于拉丁字符使用较多的场合以节省空间。下面主要以10位数字和26位字母为例，具体实现过程一致。在代码实现的过程中，设置一个编编码本定义为CODE_BOOK，建立一个含有35个字符，包括[0-9,a-z]的表，将每个字符根据编编码本映射到频率表上。
同时根据系统自身的实际情况可以对编码进行一定的优化。例如，用户群为2013级学生，利用某学号系统主要传输本人学号信息，那么优化为2013不传，直接从后续位开始传输。优化可以节省4位字符。数据量越小，传输准确度就越可靠，系统也就越可靠。
如表1为数字与声波频率的编码本对照关系。传输文本为数字，先把数字编成16进制编码，传输文本为字母。
表1
数字 声波频率/kHz
0 18.00
1 18.10
2 18.20
3 18.30
4 18.40
5 18.50
6 18.60
7 18.70
8 18.80
9 18.90
如表2，为字母与声波频率的编码本对照关系。一个字母可以编成2个16进制的字符。
表2
字符 声波频率(kHz) 字符 声波频率(kHz)
a 19.00 N 19.52
b 19.04 O 19.56
c 19.08 P 19.60
d 19.12 q 19.64
e 19.16 r 19.68
f 19.20 s 19.72
g 19.24 t 19.76
h 19.28 u 19.80
i 19.32 v 19.84
j 19.36 w 19.88
k 19.40 x 19.92
l 19.44 y 19.96
m 19.48 z 20.00
详细地，如表3，为声音包格式。一对一编码本编码方法中的声波包包括20个音节，前两位音节为信息位，采用“hj”用以通知接收端开始接收转换后的超声波音频文件；中间10位音节为数据位，是有效的传输信息，即时输入信息Key值经过编编码本映射后的频率信；最后8位为RS校验码，通过RS校验方法，对中间10位进行计算，生成8位的校验信息。
表3
其中，所述每相邻音节发送时间的间隔为87.2毫秒。
作为优选，通过校验来处理由于噪声干扰造成的信息接收错误。通过RS校验，可以纠正25％的错误信息。
具体地，步骤(1)中加密处理为对数据位进行加密处理。为了不改变数据包的格式，本实施例采用“保留格式加密方案”，即FFX，FFX是现有的保留格式加密方案，保留格式加密方案可以在不改变数据位格式的情况下进行加密，该加密方案输入和输出都是10位的数据。在加入保留格式加密方案后，本实施采用编编码本和FFX密钥双重保证来保证数据的安全。
为提高传输容量，优选地，所述一对一编码本编码的编编码本采用32进制。相对来说传输数据量编码后会更小，数据量可以传输的更大一些。进一步地，所述一对一编码本编码方法还包括校验编码，校验编码采用RS校验方法。
采用RS校验码的8位字符每4位为一组对前面10位数据位进行校验工作。也就是说明本问系统所采用的RS纠错方法是在GF(24)域上的RS(15，11)码，码长n＝15字符，码元长k＝11字符，码距d＝5，纠错能力t＝2字符，每字符为4bits，即一个码组合7.5字节。每11个有效字节加4个纠错字节。本文中一个声波包的数据部分为10位，不满11字节，剩余字节填77H。
校验方法流程如图4。
(a)计算校正子
本实施例的RS校验位为8位字符，分为两组。
(b)判断是否出错
判断校正子sj内的值是否均为0，如果均为0则完成RS校验，如果存在非0值，执行步骤(c)；
(c)计算错误位置
判断sj内的值含有非0项，求出错位多项式
d(x)＝dz2x2+dz0x+dz1＝0的根，根即为出错值的位置，其中：
若dz2＝0，则只有一个根x1＝s3/s2。否则，使用代入法求出x1,x2，把x的15个可能值代入错位多项式，若结果为0，是一个根。
(d)计算错误值ew1,ew2
若dz2＝0,否则
(e)计算错误位的正确数据
纠错时在对应的x＝ay,r(14-y)处，加上对应错值，完成纠错。如根为x1＝a3,x2＝a8,ew1＝a4,ew2＝a7，在r(14-3)＝r(11)上加ew1即a4，在r(14-8)＝r(6)上加ew2即a7后为纠错后的数据。
步骤(3)的解码方法与步骤(1)的编码方法对应，如图3。解码端使用的方法也是利用编编码本CODE_BOOK里的对应关系进行声波音频转换成数据信息的流程，具体过程与编码时的正好相反。针对接收到的声波包，接收端会首先判断开始头2位的字符，检验该声波频率是否为发送端发出的正确的声波包，然后读取10位包含声波频率信息的信息字符，读取8位RS校验位对刚刚读取的10位信息字符进行修正，才能生成8位最终的声波频率信息。如此反复读取声波包，得到一系列的声波频率信息，再根据编编码本对应关系得到发送端发送的原始数据信息为接收文本。
为提高通信方法稳定性，优选地，所述发送端与接收端点对点、面对面传输。
尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域的技术人员能够理解本发明，但是本发明不仅限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员而言，只要各种变化只要在所附的权利要求限定和确定的本发明精神和范围内，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。

Claims (6)

1.一种隐私保护的超声波通信方法，其特征在于：所述通信方法包括：
(1)发送端读取发送文本，采用一对一编码本编码方法对文本进行编码，将文本文字信息转换为声波包，声波包中的声波频率为人耳听不到的声音频率；
(2)对编码得到的声波包通过保留格式加密方法加密生成加密声波包；
(3)发送端通过空气声音信道将加密声波包传输到接收端；
(4)接收端接收加密声波包，解密加密声波包，解密后通过与步骤(1)中编码方法对应的解码方法解码，再进行容错处理后输出接收文本。
2.根据权利要求1所述的隐私保护的超声波通信方法，其特征在于：所述一对一编码本编码中任两个声波的频率间隔不小于0.01KHz。
3.根据权利要求1所述的隐私保护的超声波通信方法，其特征在于：所述一对一编码本编码方法还包括校验编码，校验编码采用RS校验方法。
4.根据权利要求3所述的隐私保护的超声波通信方法，其特征在于：所述声波包包括20个音节，所述音节为比特信息位，前两位音节为信息位，中间10位音节为数据位，最后8位为RS校验码。
5.根据权利要求4所述的隐私保护的超声波通信方法，其特征在于：所述20个音节中相邻音节的间隔发送时间为87.2毫秒。
6.根据权利要求1所述的隐私保护的超声波通信方法，其特征在于：所述发送端与接收端点对点、面对面传输。
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