CN108769987A - 基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法、装置及终端 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法、装置及终端，用于在被监测端监测下的通信系统的信号传输，该通信系统包括信号发射端以及信号接收端，该方法包括以下步骤：获取所述监测端与所述信号发射端之间的距离值信息；根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e；根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs，其中Rs＝LR/L，该L为每块载体信号的长度，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度；根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输。

Description

基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法、装置及终端

技术领域

本申请涉及通信技术领域，特别涉及一种基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法、装置及终端。

背景技术

随着信息化社会的发展，信息在现代社会发挥着举足轻重的作用，但随之出现的信息安全隐患也让信息安全研究迫在眉睫。信息隐藏技术是信息安全研究领域的重要研究分支，它依托密码学、信号与图像处理、计算机科学等相关学科，在近几年取得了迅速的发展。信息隐藏技术，主要研究如何在不引起监听者怀疑的前提下，将秘密信息隐藏在可公开的载体信号上，并发给目标接收者，从而实现秘密信息的安全交换。

对于物理层的信息隐藏系统而言，在不同的场景条件下，应有不同的参数设置。现有文献中，对物理层信息隐藏系统的参数设置忽略了对不同场景条件的讨论，并且在参数的设置方面缺少理论依据，具有一定的盲目性。

发明内容

本申请实施例提供一种基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法、装置及终端，可以数据传输的安全性。

本申请实施例提供一种基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法，用于在被监测端监测下的交互系统的信号传输，该交互系统包括信号发射端以及信号接收端，该方法包括以下步骤：

获取所述监测端与所述信号发射端之间的距离值信息；

根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γe；

根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs以及每块载体信号的长度L，其中Rs＝LR/L，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度；

根据所述最佳嵌入率Rs获取对应的载体信号并将所述隐秘信号加载在该载体信号上进行传输。

在本发明所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法中，所述根据所述平均信噪比获取最佳嵌入率Rs的步骤包括：

将所述平均信噪比带入以下公式计算最佳嵌入率Rs：

ε_PFA为虚警概率的上限。

在本发明所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法中，在第一场景，所述距离值信息为所述监测端与所述信号发射端之间的具体距离值；所述根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e的步骤包括：

根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

其中，P₀为信号的发射功率，为衰落信道的信道系数的方差，为噪声方差，d_AE为监测端与所述信号发射端间的距离值，α为路径损耗指数，λ为载波波长。

在本发明所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法中，在第二场景，所述距离值信息为所述监测端所在范围，该范围发射终端所在位置为中心的一个圆周之外，并以该圆周的半径为安全半径r；

所述根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e的步骤包括：

根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

在本发明所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法中，所述根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs以及每块载体信号的长度L的步骤包括：

获取待传输的隐秘信号以及该隐秘信号的长度LR；

根据所述长度LR以及所述最佳嵌入率Rs获取对应的载体信号的长度L；

根据所述长度L获取对应的载体信号并将所述隐秘信号加载在该载体信号上进行传输。

一种基于距离信息估算的物理层信息隐藏装置，用于在被监测端监测下的交互系统的信号传输，该交互系统包括信号发射端以及信号接收端，其特征在于，该装置包括：

第一获取模块，用于获取监测端与所述信号发射端之间的距离值信息；

第二获取模块，用于根据所述距离值信息获取监测端的平均信噪比γe；

第三获取模块，用于根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs，其中Rs＝LR/L，该L为每块载体信号的长度，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度；

传输模块，用于根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输。

在本发明所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏装置中，所述第三获取模块用于：

将所述平均信噪比带入以下公式计算最佳嵌入率Rs：

在本发明所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏装置中，所述距离值信息为所述监测端与所述信号发射端之间的具体距离值；所述第二获取模块用于：

根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

其中，P₀为信号的发射功率，为衰落信道的信道系数的方差，为噪声方差，d_AE为监测端与所述信号发射端间的距离值，α为路径损耗指数，λ为载波波长。

一种存储介质，所述存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行上述任一项所述的方法。

一种终端，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行上述任一项所述的方法。

由上可知，本发明通过获取所述监测端与所述信号发射端之间的距离值信息；根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e；根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs，其中Rs＝LR/L，该L为每块载体信号的长度，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度；根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输；具有降低隐秘信号被检测出的可能性，可以提高隐秘信号传输的安全性的效果。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所涉及的信号发射端、信号接收端以及信号监测端之间的场景交互图。

图2是本发明实施例提供的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法的流程示意图。

图3是本申请实施例提供的基于距离信息估算的物理层信息隐藏装置的结构示意图。

图4是本申请实施例提供的终端的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请的保护范围。

本申请的说明书和权利要求书以及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应当理解，这样描述的对象在适当情况下可以互换。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含了一系列步骤的过程、方法或包含了一系列模块或单元的装置、终端、系统不必限于清楚地列出的那些步骤或模块或单元，还可以包括没有清楚地列出的步骤或模块或单元，也可以包括对于这些过程、方法、装置、终端或系统固有的其它步骤或模块或单元。

参考图1，图1为一种基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法的流程图，用于在被监测端监测下的交互系统的信号传输，该交互系统包括信号发射端以及信号接收端，具体地，该交互系统的原理图如图2所示。隐蔽通信时，发射终端先从载体信号源中选取一个无关紧要的载体信号C，然后利用密钥k将其所要发送的隐秘信号M嵌入到载体信号C中，这样发射终端就把载体信号C变成了一个待发送的载密信号X。隐秘信号的嵌入将引起信号的失真，此处用D1来表示。在无线信道中的传输也将引起信号的失真，可用D2来表示。此处考虑采用块衰落信道，因此各个不同的信号块之间经历独立的衰落。假设发送信号由多个信号块组成，且每个信号块包含L个符号。发送信号在经过信道后，输出的每块信号可以表示为：

其中，假设发射信号波形的平均功率为1，P0为信号的发射功率，Hi表示第i块信道的信道系数且其中(λ为载波波长，α≥2为路径损耗指数，d为信号发射端与信号接收端之间的距离)，Ni表示第i块加性高斯白噪声，n_i＝[n_i(1),n_i(2),…n_i(L)]，且因此，信噪比可表示为

接收到信号y后，信号接收端可在密钥k的作用下获取秘密信息所提取的秘密信息的失真可用D3来表示，从而实现与信号接收端之间的隐蔽通信，而信号监测端将进行隐蔽通信的检测，从而得到一个检测概率PD，并以此来判断在信号发射端和信号接收端的通信过程中是否存在隐蔽通信。

其中，该基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法包括以下步骤：

S101、获取所述监测端与所述信号发射端之间的距离值信息。

在该步骤S101中，该距离值信息可以为所述监测端与所述信号发射端之间的具体距离值。该距离值信息为所述监测端所在范围，该范围发射终端所在位置为中心的一个圆周之外，并以该圆周的半径为安全半径r。

S102、根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e。

在一些实施例中，该距离值信息为监测端与信号发射端之间的具体距离值；该步骤S102包括：

根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

其中，P₀为信号的发射功率，为衰落信道的信道系数的方差，为噪声方差，d_AE为监测端与所述信号发射端间的距离值，α为路径损耗指数，λ为载波的波长。

在一些实施例中，距离值信息为所述监测端所在范围，该范围发射终端所在位置为中心的一个圆周之外，并以该圆周的半径为安全半径r；

所述根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e的步骤包括：

根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

S103、根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs，其中Rs＝LR/L，该L为每块载体信号的长度，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度。

在该步骤S103中。可以采用将所述平均信噪比带入以下公式计算最佳嵌入率Rs：

S104、根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输。

在该步骤S104中，要根据该隐秘信号的长度来选取对应的载体信号，以满足最佳嵌入率Rs。或者，在一些实施例中，可以将该隐秘信号分成若干段，并根据每一段的长度选取对应的载体信号，以满足最佳嵌入率Rs。

在一些实施例中，该步骤S104包括：

S1041、根据所述长度LR以及对应的载体信号的长度L获取最佳嵌入率Rs获取；根据所述最佳嵌入率Rs获取对应的载体信号并将所述隐秘信号加载在该载体信号上进行传输。

各个距离信息情况下的安全容量都随着信号接收端的信噪比的增大而增大，但它们的安全容量并不会无限增大，当信噪比增大到一定限度时，各个距离信息情况下的安全容量都趋于各自的一个极限值。就通信容量而言，由于通信容量是对交换每比特秘密信息的鲁棒性的评价，各个距离信息情况下的通信容量在各个信噪比下都是相同的。最后，综合安全容量和通信容量得到的隐藏容量，各种距离信息情况下的隐藏容量的变化趋势与安全容量是一致的。

其中，安全容量Csec

其中，为熵函数，D₁表示由嵌入操作引起的失真，D₂表示由信道衰落和噪声引起的失真，此处的失真均由归一化的汉明距离来衡量，D₁*D₂＝D₁(1-D₂)+D₂(1-D₁)，P_D为Eve的检测概率，其表达式为：

其中，L是每块载体信号的长度，L_R是嵌入到每块载体信号上的隐藏信号的长度，γ_e是Eve的信噪比，θ⁰是一个最优阈值，其表达式由下式决定：

其中，ε_PFA为虚警概率的上限。

通信容量Ccom：

C_Com＝1+(1-p_m)log₂(1-p_m)+p_mlog₂(p_m)。

其中，p_m表示Bob提取秘密信息的误码率。

C_Sec体现了信息隐藏系统的不可感知性和不可检测性，而C_Com反映了信息隐藏系统中秘密信息传输的鲁棒性。因此，该隐藏容量较全面地衡量了一个物理层信息隐藏系统的性能。

基于物理层信息隐藏容量指标，本发明以秘密信息的嵌入率R_s作为参数设计对象，对该参数在不同场景中的选取问题进行分析。通常，信息隐藏系统的设计要充分考虑攻击者的检测能力，本发明以攻击者与信息发送方间的相对距离作为攻击者检测能力的量化，将分析的场景分为已知攻击者的具体位置、仅已知攻击者大概位置和未知攻击者位置信息三种，具体讨论在这三种不同场景下的嵌入率的选取问题，以使其达到最大的隐藏容量。

本发明以检测概率P_D的封闭表达式作为分析基础，对物理层信息隐藏系统的嵌入率的选取问题进行分析。值得注意的是，当检测概率为0.5时，对应于一种随机猜测。对于一个检测器来说，最重要的是其虚警率。相对而言，检测概率P_D＝0.5时的虚警率对于检测而言是最有用的。因此，令P_D等于0.5，可以整理得到如下封闭表达式

故最优嵌入率的封闭表达式为

封闭表达式是由PD＝0.5推导出L_R等于θ⁰，然后带入到嵌入率公式中得到的。

为了说明该推导依据的合理性，发明进行了仿真实验。仿真参数设置如下：信号的发射功率设为P₀＝1W，每块载体信号的长度为L＝1000bit，信号块的总数设置为10000，合法接收方Bob端的信噪比设置为25dB，攻击方Eve端的信噪比设置为20dB，虚警率上限ε_PFA设置为0.01。

由上可知，本发明通过获取所述监测端与所述信号发射端之间的距离值信息；根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e；根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs，其中Rs＝LR/L，该L为每块载体信号的长度，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度；根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输；具有降低隐秘信号被检测出的可能性，可以提高隐秘信号传输的安全性的效果。

请参照图3，图3是本发明一些实施例中的基于距离信息估算的物理层信息隐藏装置，用于在被监测端监测下的交互系统的信号传输，该交互系统包括信号发射端以及信号接收端，该装置包括：第一获取模块301、第二获取模块302、第三获取模块303以及传输模块304。

其中，该第一获取模块301用于获取监测端与所述信号发射端之间的距离值信息。该距离值信息可以为所述监测端与所述信号发射端之间的具体距离值。该距离值信息为所述监测端所在范围，该范围发射终端所在位置为中心的一个圆周之外，并以该圆周的半径为安全半径r。

其中，该第二获取模块302用于根据所述距离值信息获取监测端的平均信噪比γ_e。

在一些实施例中，距离值信息为所述监测端与所述信号发射端之间的具体距离值；所述第二获取模块302用于：

根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

其中，P₀为信号的发射功率，为衰落信道的信道系数的方差，为噪声方差，d_AE为监测端与所述信号发射端间的距离值，α为路径损耗指数，λ为载波波长。

在一些实施例中，距离值信息为所述监测端所在范围，该范围发射终端所在位置为中心的一个圆周之外，并以该圆周的半径为安全半径r；第二获取模块302用于：根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

其中，该第三获取模块303用于根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs，其中Rs＝LR/L，该L为每块载体信号的长度，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度。第三获取模块用于：将所述平均信噪比带入以下公式计算最佳嵌入率Rs：

其中，该传输模块304用于根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输。该传输模块304要根据该隐秘信号的长度来选取对应的载体信号，以满足最佳嵌入率Rs。或者，在一些实施例中，可以将该隐秘信号分成若干断，并根据每一段的长度选取对应的载体信号，以满足最佳嵌入率Rs。在一些实施例中，该传输模块304具体用于：获取待传输的隐秘信号以及该隐秘信号的长度LR；根据所述长度LR以及所述最佳嵌入率Rs获取对应的载体信号的长度L；根据所述长度L获取对应的载体信号并将所述隐秘信号加载在该载体信号上进行传输。

由上可知，本发明通过获取所述监测端与所述信号发射端之间的距离值信息；根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e；根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs，其中Rs＝LR/L，该L为每块载体信号的长度，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度；根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输；具有降低隐秘信号被检测出的可能性，可以提高隐秘信号传输的安全性的效果。

请参照图4，本发明还提供了一种终端400，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行上述任一项所述的方法。400包括处理器401和存储器402。其中，处理器401与存储器402电性连接。

处理器401是终端400的控制中心，利用各种接口和线路连接整个终端的各个部分，通过运行或调用存储在存储器402内的计算机程序，以及调用存储在存储器402内的数据，执行终端的各种功能和处理数据，从而对终端进行整体监控。

在本实施例中，终端400中的处理器401会按照如下的步骤，将一个或一个以上的计算机程序的进程对应的指令加载到存储器402中，并由处理器401来运行存储在存储器402中的计算机程序，从而实现各种功能，例如：获取所述监测端与所述信号发射端之间的距离值信息；根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e；根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs，其中Rs＝LR/L，该L为每块载体信号的长度，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度；根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输。

本申请实施例还提供一种存储介质，该存储介质中存储有计算机程序，当该计算机程序在计算机上运行时，该计算机执行上述任一实施例所述的方法。

需要说明的是，本领域普通技术人员可以理解上述实施例的各种方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于计算机可读存储介质中，该存储介质可以包括但不限于：只读存储器(ROM，Read Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、磁盘或光盘等。

以上对本申请实施例所提供的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法、装置、存储介质及终端进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。

Claims (10)

1.一种基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法，用于在被监测端监测下的交互系统的信号传输，该交互系统包括信号发射端以及信号接收端，其特征在于，该方法包括以下步骤：

获取所述监测端与所述信号发射端之间的距离值信息；

根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e；

根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs以及每块载体信号的程度L，其中Rs＝LR/L，LR是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度；

根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输。

2.根据权利要求1所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法，其特征在于，所述根据所述平均信噪比获取最佳嵌入率Rs的步骤包括：

将所述平均信噪比带入以下公式计算最佳嵌入率Rs：

ε_PFA为虚警概率的上限。

3.根据权利要求2所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法，其特征在于，在第一场景，所述距离值信息为所述监测端与所述信号发射端之间的具体距离值；所述根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e的步骤包括：

根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

其中，P₀为信号的发射功率，为衰落信道的信道系数的方差，为噪声方差，d_AE为监测端与所述信号发射端间的距离值，α为路径损耗指数，λ为载波波长。

4.根据权利要求2所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法，其特征在于，在第二场景，所述距离值信息为所述监测端所在范围，该范围为发射终端所在位置为中心的一个圆周之外，并以该圆周的半径为安全半径r；

所述根据所述距离值信息获取所述监测端的平均信噪比γ_e的步骤包括：

根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

。

5.根据权利要求2所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法，其特征在于，所述根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输的步骤包括：

获取待传输的隐秘信号以及该隐秘信号的长度LR；

根据所述长度LR以及对应的载体信号的长度L获取最佳嵌入率Rs；

根据所述最佳嵌入率Rs获取对应的载体信号并将所述隐秘信号加载在该载体信号上进行传输。

6.一种基于距离信息估算的物理层信息隐藏装置，用于在被监测端监测下的交互系统的信号传输，该交互系统包括信号发射端以及信号接收端，其特征在于，该装置包括：

第一获取模块，用于获取监测端与所述信号发射端之间的距离值信息；

第二获取模块，用于根据所述距离值信息获取监测端的平均信噪比γ_e；

第三获取模块，用于根据所述平均信噪比γ_e获取最佳嵌入率Rs以及每块载体信号的长度L，其中Rs＝LR/L，L_R是嵌入到每块载体信号上的隐秘信号的长度；

传输模块，用于根据所述最佳嵌入率Rs在载体信号上加载对应长度的隐秘信号进行传输。

7.根据权利要求6所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏装置，其特征在于，所述第三获取模块用于：

将所述平均信噪比带入以下公式计算最佳嵌入率Rs：

ε_PFA为虚警概率的上限。

8.根据权利要求7所述的基于距离信息估算的物理层信息隐藏方法，其特征在于，所述距离值信息为所述监测端与所述信号发射端之间的具体距离值；所述第二获取模块用于：

根据以下公式计算所述监测端的平均信噪比γ_e：

其中，P₀为信号的发射功率，为衰落信道的信道系数的方差，为噪声方差，d_AE为监测端与所述信号发射端间的距离值，α为路径损耗指数，λ为载波波长。

9.一种存储介质，其特征在于，所述存储介质中存储有计算机程序，当所述计算机程序在计算机上运行时，使得所述计算机执行权利要求1至5任一项所述的方法。

10.一种终端，其特征在于，包括处理器和存储器，所述存储器中存储有计算机程序，所述处理器通过调用所述存储器中存储的所述计算机程序，用于执行权利要求1至5任一项所述的方法。