CN108738016A - 一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法 - Google Patents

Abstract

一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法。本发明公开了一种针对编码信道信息隐藏技术的高速侦测方法，包括以下步骤：信号发送方正常信号经过信道译码解析出数据X，采用相同编码方式将数据X编码，得到二进制数据Y；掩密分析者获取接收信号，经过信道均衡得到均衡向量，进行硬判决，得到判决向量；将判决向量和编码后正常信号二进制数据进行比较，比特值比例出现较大互异，则将重点监测接受信号R发送方；持续监控，收集更多数据，对信号进行破译；掩密分析者则中断该发送方在开放信道上进行通信资格。本发明通过对比来评估接收信号中比特错误率统计值异常增加情况，判断信号是否嵌入隐藏信息，并截获约一半的隐藏信息编码后的比特数据，为隐藏信息内容破译提供更多的样本数据。

Description

一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法

技术领域

本发明涉及信息侦测研究领域，特别涉及一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法。

背景技术

信息隐藏是将机密信息秘密地隐藏于公开信息中,然后通过公开信息的传输来传递机密信息。第三方(掩密分析者)由于受感知分辨率的限制,难以判断公开信息中是否存在秘密信息,从而保证秘密通信的不可觉察性。

使用编码传输信道为载体，基于一定的嵌入位置选择算法，发送方将数据量较小的隐藏信息的比特数据(已编码后)嵌入在公开信息编码后的比特数据中，其原则上只要保证秘密信息隐藏造成的置换错码以及信道干扰造成的译码总和小于信道编码的纠错能力，则可以将秘密信息作为噪声隐藏到信道编码数据流中。

1983年Simmons在国际密码学术研讨会上提出了“囚徒问题”，在囚徒模型中,Alice和Bob是一座监狱中被关押在不同囚室中的囚犯,他们企图策划共同越狱，但他们之间的所有通信必须通过看守人Wendy的检查，如果Wendy发现他们之间存在可疑通信，就会立刻隔离他们并中断通信链路。因此如果Alice和Bob想要进行秘密信息的传递,就必须建立一个隐蔽的信道进行秘密通信，从而躲过Wendy的监视。

现有的以编码信道为载体的信息隐藏算法思想大概归纳如下：

发送端，对秘密信息进行加密处理和纠错编码处理，以提高其安全性和顽健性。

对信源载体进行信道编码，并根据编码规则将编码后的信源数据进行分组。采用的信道编码可以描述为(n,k,t)，其中k为编码器输入信息长度，n为编码传输长度,t代表时间。根据信道编码参数，通常会将编码后的数据按每n比特分为一组。

双方约定秘钥K，由K产生伪随机序列S＝(s₁,s₂,s₃,…),s_i<n,i＝1,2,…,

并根据该序列确定秘密信息的嵌入位置。随机数s_i表示将秘密信息的第i位嵌入到载体信息的第i组中的第s_i位置，即用秘密信息替换s_i位置的信源信息。

接收端，对接收信号进行信道译码后得到信源数据，实现正常信息的通信过程。

利用相同的秘钥K产生伪随机序列S＝(s₁,s₂,s₃,…),s_i<n,i＝1,2,…,

并根据该序列提取在信道译码前的接收数据中的秘密信息数据，即随机数s_i表示提取载体信息的第i组中的第s_i位置的接收信号。对提取处理的秘密信息信号进行纠错译码和解密操作，得到隐藏信息。

信息隐藏通信侧重点在于利用非秘密信息正常传输过程的掩护，使非目标用户无法察觉到秘密信息本身，甚至信息传递行为的存在。因此隐蔽通信系统必须具有很高的隐蔽性、稳健性和安全性。

考虑到随着数字信号处理能力的不断提升，掩密分析者在其侦测信道上会具备超强的信号收集和分析能力，因此可以时刻猜疑隐藏技术的使用，因此会对发送者的每一个信息进行分析。在此情况下上述信息隐藏方案在理论层面将固定存在一个致命缺陷，即和没有嵌入隐藏信息的信号相比，嵌入隐藏信息的信号虽然CRC校验结果也没有出现异常，但其信号在未实施纠错操作时的误比特率值将异常上升。

发明内容

本发明的主要目的在于对编码信道信息隐藏技术的侦测，提供一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法，通过比较通信信号的误比特率，判断通信信号是否包含隐藏信息，并进行定位。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种针对编码信道信息隐藏技术的侦测方法，包括以下步骤：

S1、发送方发送的非秘密信息的二进制数据为经过信道译码解析出的数据X，X＝(y₁,y₂,...,y_n)，采用正常信号的编码方式将数据X编码，得到数据Y，Y＝(y₁,y₂,...,y_n)；

S2、掩密分析者获取接收信号R，接收信号R的归一化信道传输模型为：

R＝HZ+W，

其中，H为信道传输系数，Z为由数据Y嵌入秘密信息后的信号二进制数据，Z＝(z₁,z₂,...,z_n)，W为噪声项；

S3、掩密分析者基于接收信号R，经过信道均衡得到均衡向量进行硬判决，得到判决向量

S4、将判决向量和编码后的正常信号二进制数据Y＝(y₁,y₂,...,y_n)进行比较，如果比特值比例大于K，则将接受信号R的发送方纳入重点监控对象名单，否则不采取任何措施；

S5、对重点监控对象名单中的信号发送方持续监控，收集更多数据，并对含有隐藏信息的信号进行破译；

S6、破译失败，掩密分析者则中断该发送方继续在开放信道上进行通信的资格及进行其他对应措施。

步骤S2中，所述掩密分析者为开放信道的监测者，能通过技术或资源投入获取被监测对象通信信号的高信噪比接收信号；

步骤S2中，所述接收信号的发送规则与格式和正常信号的发送规则与格式保持一致，因为掩密分析者具备对承载非秘密信息的正常信号进行正确译码和重新编码的能力，接收信号和正常信号发送规则与格式保持一致，从而避免引起掩密分析者的警觉；

步骤S3中，所述硬判决为：信道均衡矩阵乘上接收信号R后，根据数据正负进行二进制判决，得到判决向量二进制判断公式为：

其中，为第j个判决向量，1≤j≤n；Δ_j为变化量；

在步骤S4中，所述比特值比例门限K＝1％，即比特值比例大于1％，则将发送接收信号R的发送方纳入重点监控对象名单；比特值比例小于1％，则继续监测下一个接收信号；比特值比例出现较大互异为比特错误率统计值异常增加。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

本发明通过掩密分析者来评估接收信号中是否存在比特错误率统计值异常增加的情况，并据此判断接收信号中是否嵌入隐藏信息并进行高准确性的判断，甚至能进一步对隐藏信息的比特嵌入位置进行高精度的定位，为隐藏信息的内容破译奠定坚实的基础。

附图说明

图1是本发明所述一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法流程图。

图2是本发明的不同嵌入比例的公开信号的误分组率接收性能曲线图。

图3是本发明的10dB接收信噪比时掩密分析者对信号嵌入数量的评估值示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例1

一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法流程如图1所示，包括以下步骤：

第一步：发送方发送的非秘密信息的二进制数据为经过信道译码解析出的数据X，X＝(y₁,y₂,...,y_n)，采用正常信号的编码方式将数据X编码，得到数据Y，Y＝(y₁,y₂,...,y_n)；

第二步：掩密分析者为开放信道的监测者，能通过技术或资源投入获取被监测对象通信信号的高信噪比接收信号，接收信号在被侦测信道上的发送规则与格式和正常信号的发送规则与格式保持一致；通过掩密分析者获取接收信号R，接收信号R的归一化信道传输模型为：

R＝HZ+W，

其中，H为信道传输系数，Z为由数据Y嵌入秘密信息后的信号二进制数据，Z＝(z₁,z₂,...,z_n)，W为噪声项；

第三步：掩密分析者基于接收信号R，经过信道均衡得到均衡向量进行硬判决，即信道均衡矩阵乘上接收信号R后，根据数据正负进行二进制判决，得到判决向量二进制判断公式为：

其中，为第j个判决向量，1≤j≤n；Δ_j为变化量；

第四步：将判决向量和编码后的正常信号二进制数据Y＝(y₁,y₂,...,y_n)进行比较，如果被监测对象的信号中没有嵌套隐藏信息，则序列和Y＝(y₁,y₂,...,y_n)理论上应该保持高度一致；而嵌套隐藏信息后，设n个分组比特中嵌入m个隐藏信息比特(有1/2概率导致嵌入位置的比特值发现变化)，则序列和Y＝(y₁,y₂,...,y_n)从统计意义上每个分组数据信号中将平均出现m/2个比特互异情况；

为实现在虚警率和楼检率之间较好的均衡，比例阈值门限设定为1％，如果比特值比例大于K，则是出现较大互异，即比特值比例出现较大互异为比特错误率统计值异常增加，则将接受信号R的发送方纳入重点监控对象名单，否则继续监测其他信号；

第五步：对重点监控对象名单中的信号发送方持续监控，收集更多数据，并对含有隐藏信息的信号进行破译；

第六步：破译失败，掩密分析者则中断该发送方继续在开放信道上进行通信的资格及进行其他对应措施。

隐藏信息嵌入导致的公开信号接收性能损失分析：

在公开信号的编码后的比特流数据中嵌入隐藏信息的比特数据，本质上是在公开信号发送时人为引入比特错误，随着嵌入比例的增加，其将会给公开信号的接收带来较大的性能损失。

利用MATLAT仿真工具，图2给出了公开信号采用码长为5440，码率为1/3的Turbo编码方案时，在不同嵌入比例下的误分组率性能曲线(每5440个比特为一个分组单位，如果译码后的数据和原数据至少有一个比特存在差异，则产生一个分组传输错误。

从图2中的仿真结果可以看出，随着嵌入比例的提升，公开信号达到99％分组传输成功率所需的接收信噪比越来越高，如无嵌入时接收信噪比约-4.1dB,而嵌入10％、20％、30％、40％比例的隐藏信息后所需的信噪比依次约-3.5dB、-2.2dB、-3.5dB、-0.6dB、4dB；最后还存在所谓的‘天花板’现象，即嵌入比例超过一定门限后(该值也是信息隐藏系统的嵌入上限值，不同编码调制方案对应的值不同，而上述的BPSK+1/3Turbo调制编码方案的门限约为47％)，其引入的比特错误率超过了编码方案的纠错上限，此时即使在超高信噪比情况下，分组成功率仍然为0。

本发明的侦测方法在AWGN信道上虚警率和漏检率性能仿真结果：

在公开信号的编码后的比特流数据中嵌入隐藏信息的比特数据，本质上是在公开信号发送时人为引入比特错误，随着嵌入比例的增加，除了会带来上述的公开信号接收性能损失外，还会明显增加暴露风险。

利用MATLAT仿真工具，图3给出了公开信号采用码长为5440，码率为1/3的Turbo编码方案时，在6种不同嵌入比例下(5％—30％,步长为5％)的掩密分析者对接收信号(10dB)采用上述侦测方法后对嵌入比特数量评估值的仿真结果。

从图3的仿真结果可以看出，掩密分析者利用其技术和资源优势获取到携带隐藏信息的高信噪比值通信信号后，就可以充分利用编码信道信息隐藏技术的信号存在信道误比特值异常的固有缺陷，实现对隐蔽通信过程的有效发现，并实现对隐藏信息约一半比例的嵌入位置和嵌入值的破译，为隐藏信息的进一步破译奠定了良好的基础。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种针对编码信道信息隐藏技术的侦测方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、发送方发送的非秘密信息的二进制数据为经过信道译码解析出的数据X，X＝(y₁,y₂,...,y_n)，采用正常信号的编码方式将数据X编码，得到数据Y，Y＝(y₁,y₂,...,y_n)；

S2、掩密分析者获取接收信号R，接收信号R的归一化信道传输模型为：

R＝HZ+W，

其中，H为信道传输系数，Z为由数据Y嵌入秘密信息后的信号二进制数据，Z＝(z₁,z₂,...,z_n)，W为噪声项；

S3、掩密分析者基于接收信号R，经过信道均衡得到均衡向量进行硬判决，得到判决向量

S4、将判决向量和正常信号编码后的二进制数据Y＝(y₁,y₂,...,y_n)进行比较，如果数据队列比特值比例大于K，则将接受信号R的发送方纳入重点监控对象名单，否则不采取任何措施；

S5、对重点监控对象名单中的信号发送方持续监控，收集更多数据，并对含有隐藏信息的信号内容进行破译；

S6、破译失败，掩密分析者则中断接收信号发送方在开放信道上进行通信的资格。

2.根据权利要求1所述的一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法，其特征在于，步骤S2中，所述掩密分析者为开放信道的监测者，能通过技术或资源投入获取被监测对象通信信号的高信噪比接收信号。

3.根据权利要求1所述的一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法，其特征在于，步骤S2中，所述接收信号的发送规则与格式和正常信号的发送规则与格式保持一致。

4.根据权利要求1所述的一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法，其特征在于，步骤S2中，所述接收信号在被监测信道中获取。

5.根据权利要求1所述的一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法，其特征在于，步骤S3中，具体过程为：信道均衡矩阵乘上接收信号R后，并进行硬判决，即二进制判决，得到判决向量二进制判断公式为：

其中，为第j个判决向量，1≤j≤n；Δ_j为变化量。

6.根据权利要求5所述的一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法，其特征在于，所述二进制判决根据信道均衡矩阵乘上接收信号R后的数据正负进行判决。

7.根据权利要求1所述的一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法，其特征在于，在步骤S4中，所述正常信号不含秘密信息；所述比较为队列的比特值进行对比，所述比特值比例互异门限K＝1％，即比特值互异超过1％为比特值比例出现较大互异；所述互异为比特错误率统计值异常增加。

8.根据权利要求7所述的一种针对编码信道信息隐藏技术的高效侦测方法，其特征在于，在步骤S4中，所述比较过程为，逐个对队列的比特值进行对比。