CN109033853B - 基于卷积码的物理层信息隐藏方法、装置、及终端 - Google Patents

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CN109033853B CN201810746752.0A CN201810746752A CN109033853B CN 109033853 B CN109033853 B CN 109033853B CN 201810746752 A CN201810746752 A CN 201810746752A CN 109033853 B CN109033853 B CN 109033853B
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Abstract

本申请实施例提供一种基于卷积码的物理层信息隐藏方法、装置及终端，本发明通过获取载体信息序列u，其长度值为l；根据卷积码CConv(n,k,υ)将载体信息序列u通过补零和循环移位构造出一个载体信息序列矩阵U，补零的个数和循环移位的次数均为υ；获取一个q行(2q‑1)列的二进制随机矩阵H，该二进制随机矩阵H的各列由所有长度为q的非零二进制数构成；获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该秘密信息序列m分为s/q个秘密信息块，每一秘密信息块的长度为q；将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块；从而实现秘密信息的隐藏，具有提高信息安全的有益效果。

Description

基于卷积码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，特别涉及一种基于卷积码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。
现有文献中，在物理层进行信息隐藏所采用的技术主要包括：调制技术、 扩频技术和信道编码技术等。其中，现有的基于信道编码的信息隐藏技术常采 用的信道编码包括RS码、BCH码等，它们主要借助于信道编码技术的纠错能力 及信道噪声带来的随机性，直接将秘密信息隐藏在编码后的载体对象中，方法 过于简单和直观，这将对载体信号造成较明显的失真，从而引起攻击者的怀疑， 降低了信息隐藏系统的安全性。
发明内容
本申请实施例提供一种基于卷积码的物理层信息隐藏方法、装置及终端， 可以提高隐秘信息的安全性。
本申请实施例提供一种基于卷积码的物理层信息隐藏方法，包括以下步骤：
获取载体信息序列u，其长度值为l，在与模2加法器具有弱连接关系的 移位寄存器中执行信息嵌入操作；
根据卷积码CConv(n,k,υ)将载体信息序列u通过补零和循环移位构造出一个 载体信息序列矩阵U，补零的个数和循环移位的次数均为υ；
获取一个q行(2q-1)列的二进制随机矩阵H，该二进制随机矩阵H的各 列由所有长度为q的非零二进制数构成；
获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该秘密信息序列m分为s/q个 秘密信息块，每一秘密信息块的长度为q；
将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q 个载密信息块。
在本发明所述的基于卷积码的物理层信息隐藏方法中，所述根据卷积码 CConv(n,1,υ)将载体信息序列u通过补零和循环移位构造出一个载体信息序列矩 阵U的步骤包括：
该载体信息序列u＝(u0u1u2...ul)，将该载体信息序列后面补υ个零，作为 载体信息序列矩阵U的第一行，再将补零后的序列向右循环移位υ次，且每次 移位所得的序列作为矩阵的后υ行；从而构造的载体信息序列矩阵如下：
Figure RE-GDA0001774324750000021
在本发明所述的基于卷积码的物理层信息隐藏方法中，所述将该s/q个秘 密信息块一一对应地嵌入到该s/q个载体信息块中的过程中：
通过修改载体信息块Cb使传输的载体行序列中的各个载体信息块满足 mb＝Hsb，其中mb为秘密信息块，sb是由载体信息块Cb修改得到的载密信息块。
在本发明所述的基于卷积码的物理层信息隐藏方法中，所述将该s/q个秘 密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块的步骤 包括：根据预设密钥在载体信息序列矩阵U的载体行序列中选取s/q个载体信 息块，并将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到 s/q个载密信息块。
在本发明所述的基于卷积码的物理层信息隐藏方法中，所述根据预设密钥 在载体信息序列矩阵U的载体行序列中选取s/q个载体信息块的步骤中，根据 预设密钥在载体信息序列矩阵U的载体行序列中沿伪随机路径选取s/q个载体 信息块。
一种基于卷积码的物理层信息隐藏装置，包括：
第一获取模块，用于获取载体信息序列u，其长度值为l，在与模2加法 器具有弱连接关系的移位寄存器中执行信息嵌入操作；
构造模块，用于根据卷积码CConv(n,k,υ)将载体信息序列u通过补零和循环 移位构造出一个载体信息序列矩阵U，补零的个数和循环移位的次数均为υ；
第二获取模块，用于获取一个q行(2q-1)列的二进制随机矩阵H，该二 进制随机矩阵H的各列由所有长度为q的非零二进制数构成；
分割模块，用于获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该秘密信息序 列m分为s/q个秘密信息块，每一秘密信息块的长度为q；
嵌入模块，用于将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息 块中得到s/q个载密信息块。
在本发明所述的基于卷积码的物理层信息隐藏装置中，该载体信息序列 u＝(u0u1u2...ul)，所述构造模块用于：
将该载体信息序列后面补υ个零，作为载体信息序列矩阵U的第一行，再 将补零后的序列向右循环移位υ次，且每次移位所得的序列作为矩阵的后υ行； 从而构造的载体信息序列矩阵如下：
Figure RE-GDA0001774324750000031
在本发明所述的基于卷积码的物理层信息隐藏装置中，所述嵌入模块用于 根据预设密钥在载体信息序列矩阵U的载体行序列中选取s/q个载体信息块， 并将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载 密信息块。
一种秘密信息提取方法，包括以下步骤：
将接收到的信号序列处理成一个接收序列矩阵
Figure RE-GDA0001774324750000032
对所述接收序列矩阵
Figure RE-GDA0001774324750000033
进行译码，得到译码序列
Figure RE-GDA0001774324750000034
基于所述译码序列
Figure RE-GDA0001774324750000035
构造出除已嵌入秘密信息的行序列
Figure RE-GDA0001774324750000036
外的其余各 行序列
Figure RE-GDA0001774324750000037
根据矩阵乘法的运算法则，在任意一个元素全为1的生成序列g(J)中选出 分别与除行序列
Figure RE-GDA0001774324750000038
所在行外的其余各行相对应的υ个系数
Figure RE-GDA0001774324750000039
将选出的υ个系数与除行序列
Figure RE-GDA0001774324750000041
外的其余行序列
Figure RE-GDA0001774324750000042
在 每个时刻的码元分别对应相乘后进行模2相加，然后再将所得结果与接收序列 矩阵
Figure RE-GDA0001774324750000043
中第J行的序列在每个时刻的码元模2相加，从而获取到嵌入秘密信息 的行序列
Figure RE-GDA0001774324750000044
利用预设密钥从秘密信息的行序列中提取出秘密信息。
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，本发明通过获取载体信息序列u，其长度值为l；根据卷积码 CConv(n,k,υ)将载体信息序列u通过补零和循环移位构造出一个载体信息序列矩 阵U，补零的个数和循环移位的次数均为υ；获取一个q行(2q-1)列的二进 制随机矩阵H，该二进制随机矩阵H的各列由所有长度为q的非零二进制数构 成；获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该秘密信息序列m分为s/q个 秘密信息块，每一秘密信息块的长度为q；将该s/q个秘密信息块一一对应地 嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块；从而实现秘密信心的隐藏， 具有提高信息安全的有益效果。
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是本发明所涉及的场景交互图。
图2是本发明实施例提供的基于卷积码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卷积码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。
图5是信息隐藏的原理示意图。
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。
本发明提供了一种基于卷积码的物理层信息隐藏方法，其用于被第三方监 测下的交互系统中，该交互系统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1所示。隐蔽通信时，构建如图1所示的基于卷积码 的物理层信息隐藏系统模型。该通信系统主要包括隐蔽通信和隐蔽通信的检测 两个部分。隐蔽通信由合法的通信双方Alice和Bob完成，同时，监听方Eve 进行隐蔽通信的检测。Alice和Bob利用共享密钥分别执行提前约定好的嵌入 算法和提取算法，企图秘密地交换数据而不被Eve发现，而Eve将会执行一个 检测算法用以监视Alice和Bob的通信过程，一旦检测到秘密信息的存在，她 将切断通信信道，这也意味着隐蔽通信系统被破解了。具体的隐蔽通信过程如 下：
考虑到所使用的编码时隐藏机制，该隐蔽通信系统模型将卷积编码模块与 嵌入模块集成在一起。隐蔽通信时，Alice首先将载体信号c和隐蔽信号m送 入信道编码&嵌入模块，并在密钥k的作用下产生载密信号s。生成的载密信号s被调制成发送信号x后，进入传输信道。此处考虑采用瑞利块衰落信道，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，Bob观察到的每块信号 可以表示为：
Figure RE-GDA0001774324750000061
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,b表示第i块信道的信道系数且
Figure RE-GDA0001774324750000062
其中
Figure RE-GDA0001774324750000063
(λ为载波波长，α≥2为路径损耗指数，dAB为Alice与Bob 间的距离)，ni,e表示第i块加性高斯白噪声，ni,b＝[ni,b(1),ni,b(2),···ni,b(L)]且
Figure RE-GDA0001774324750000064
因此，Bob端的信噪比为
Figure RE-GDA0001774324750000065
接收 到信号yb后，Bob首先对信号进行解调，得到解调后的信号
Figure RE-GDA0001774324750000066
然后，经过维 特比译码，Bob可以得到载体信号
Figure RE-GDA0001774324750000067
与此同时，利用已得到的解调后的信号
Figure RE-GDA0001774324750000068
和载体信号
Figure RE-GDA0001774324750000069
Bob可在密钥k的作用下获取隐蔽信号
Figure RE-GDA00017743247500000610
从而实现与Alice 之间的隐蔽通信。与此同时，Eve也能通过无线信道接收信号，她观察到的每 块信号可以表示为：
Figure RE-GDA00017743247500000611
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,e表示第i块信道的信道系数且
Figure RE-GDA00017743247500000612
其中
Figure RE-GDA00017743247500000613
(λ为载波波长，α≥2为路径损耗指数，dAE为Alice与Eve 间的距离)，ni,e表示第i块加性高斯白噪声，ni,e＝[ni,e(1),ni,e(2),···ni,e(L)]且
Figure RE-GDA00017743247500000614
因此，Eve端的信噪比为
Figure RE-GDA00017743247500000615
在接 收到信号之后，Eve将对其进行隐蔽通信的检测，判断在Alice和Bob的通信 过程中是否存在隐蔽通信。
参考图2，图2为本发明一些实施例中的基于卷积码的物理层信息隐藏方 法的流程图，包括以下步骤：
S101、获取载体信息序列u，其长度值为l，在与模2加法器具有弱连接 关系的移位寄存器中执行信息嵌入操作。
其中，卷积码CConv(n,1,υ)除生成子矩阵G0以外的每个生成子矩阵与卷积码 编码器的每个移位寄存器具有一一对应的关系，因此该算法的第一步可转化为 生成子矩阵的选择。由式可知，卷积码CConv(n,1,υ)除生成子矩阵G0以外共有υ个 生成子矩阵，其中的每个生成子矩阵
Figure RE-RE-GDA00017743247500000616
是一个1×n 的矩阵。生成子矩阵内的各个元素
Figure RE-RE-GDA00017743247500000617
且
Figure RE-RE-GDA00017743247500000618
表示相应的移位寄 存器未与模2加法器相连，而
Figure RE-RE-GDA0001774324750000071
表示相应的移位寄存器与模2加法 器相连。移位寄存器与模2加法器之间相互连接的强弱关系可以通过将每个子 矩阵内的元素求和所得的大小来表征，子矩阵内各元素之和越小表示与之对应 的移位寄存器与模2加法器的连接越弱，反之越强。因此，该算法的第一步可整理成如下表示形式：
Figure RE-GDA0001774324750000072
式中，Fopt表示所选择的嵌入秘密信息的移位寄存器，Gopt表示与移位寄存器Fopt相对应的生成子矩阵，f(·)表示将子矩阵内元素之和映射成对应子矩阵的函数。
该步骤中，该载体信息序列u＝(u0u1u2...ul)。
以卷积码CConv(2,1,3)为例，该编码器的生成序列为：
Figure RE-GDA0001774324750000073
Figure RE-GDA0001774324750000074
将生成序列g(1)和g(2)交织，可重排成生成矩阵形式：
Figure RE-GDA0001774324750000075
其中的生成子矩阵分别为：
G0＝[11],G1＝[01]
G2＝[11],G3＝[11]
生成子矩阵与移位寄存器具有一一对应的关系。G1对应于移位寄存器F1， G2对应于移位寄存器F2，G3对应于移位寄存器F3。
该编码器由三个移位寄存器F1、F2、F3和两个模2加法器组成。如图5 所示，F1只有一个分支与模2加法器相连，而F2、F3有两个分支与模2加 法器相连。故我们称F1与模2加法器具有弱连接关系，从而选择在F1中嵌入 信息。
每个移位寄存器与模2加法器的连接关系可以通过将每个子矩阵内的元 素求和所得的大小来表征，子矩阵内各元素之和越小表示与之对应的移位寄存 器与模2加法器的连接越弱，反之越强。这个也就是公式
Figure RE-GDA0001774324750000081
表示的意思。
Figure RE-GDA0001774324750000082
表示对每个子矩阵内的元素求和，
Figure RE-GDA0001774324750000083
表示对每 个子矩阵内的元素求和的结果取最小值。f(·)这个函数表示将子矩阵内元素之 和的最小值映射成对应的子矩阵Gopt。→表示将子矩阵Gopt对应成相应的移位 寄存器Fopt(生成子矩阵与移位寄存器具有一一对应的关系)。
算法第二步构造出来的
Figure RE-GDA0001774324750000084
其第一行表示存储在寄存器F1中的数据，第二行表示存储在寄存器F2中 的数据，第三行表示存储在寄存器F3中的数据.所以在选择好在哪一个移位寄 存器中进行信息嵌入之后，相应地修改该矩阵中的相应行就可以了。
S102、根据卷积码CConv(n,k,υ)将载体信息序列u通过补零和循环移位构造 出一个载体信息序列矩阵U，补零的个数和循环移位的次数均为υ。
其中，可以采用以下具体算法来构造出一个载体信息序列矩阵U：
将该载体信息序列后面补υ个零，作为载体信息序列矩阵U的第一行，再 将补零后的序列向右循环移位υ次，且每次移位所得的序列作为矩阵的后υ行； 从而构造的载体信息序列矩阵如下：
Figure RE-GDA0001774324750000085
该载体信息序列矩阵为l+v列，v+1行。
S103、获取一个q行(2q-1)列的二进制随机矩阵H，该二进制随机矩阵 H的各列由所有长度为q的非零二进制数构成。
在该步骤中，该二进制随机矩阵H为信号发送方和信号接收方共享的。
S104、获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该秘密信息序列m分为 s/q个秘密信息块，每一秘密信息块的长度为q。
在该步骤中，可能存在均分时，最后一个秘密信息块不够q长度，则采用 0补足。
S105、将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到该s/q个载体信息块中。
在该步骤中，根据预设密钥在载体信息序列矩阵U的载体行序列中选取 s/q个载体信息块，并将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信 息块中得到s/q个载密信息块。具体为，根据预设密钥在载体信息序列矩阵U 的载体行序列中沿伪随机路径选取s/q个载体信息块。
在该步骤中，通过修改载体信息块Cb使传输的载体行序列中的各个载体 信息块满足mb＝Hsb，其中mb为秘密信息块，sb是由载体信息块Cb修改得到的载 密信息块。Hsb称为sb的伴随式。如果载体信息块的伴随式恰好满足Hcb＝mb， 则载体信息块cb本身就能够正确地传递秘密信息块mb，发送方不需要对这个 载体信息块做任何修改，直接设置sb＝cb，然后在下一个载体信息块中嵌入另 外q比特秘密信息即可，这种情况发生的概率为1/2q。
当Hcb≠mb时，发送者需要在矩阵H中查找差异Hcb-mb对应的列。注意到， 矩阵H的列向量包含了所有长度为q的非零二进制数，因此一定能找到差异 Hcb-mb对应的列。如果找到的对应列为第j列，则须修改载体信息块cb中的第 j个比特，并保持其余比特不变。修改后得到的载密信息块sb的伴随式即与秘 密信息块相匹配，满足Hsb＝mb。
在本发明中，第一种算法具体如下：
基于卷积码结构信息隐藏算法(Information Hiding Method withConvolutional Coding,IH-Conv.)
如上所述，卷积码编码器由移位寄存器和模2加法器构成，它们以不同的 连接方式构成不同的编码逻辑，其编码逻辑可由生成序列来表征。换而言之， 卷积码的生成子矩阵能反映移位寄存器与模2加法器之间相互连接的强弱关 系。基于卷积码结构信息隐藏算法的核心为在与模2加法器具有弱连接关系的 移位寄存器中执行信息嵌入操作，其目的在于最小化编码过程中的嵌入操作对 编码输出的影响。总而言之，该算法包括三步：一是选择移位寄存器，二是嵌 入秘密信息，三是提取秘密信息。下面将分步进行描述。
1)移位寄存器的选择。
注意到，卷积码CConv(n,1,υ)除生成子矩阵G0以外的每个生成子矩阵与卷积 码编码器的每个移位寄存器具有一一对应的关系，因此该算法的第一步可转化 为生成子矩阵的选择。由式可知，卷积码CConv(n,1,υ)除生成子矩阵G0以外共有 υ个生成子矩阵，其中的每个生成子矩阵
Figure RE-RE-GDA0001774324750000101
是一个 1×n的矩阵。生成子矩阵内的各个元素
Figure RE-RE-GDA0001774324750000102
且
Figure RE-RE-GDA0001774324750000103
表示相应的移 位寄存器未与模2加法器相连，而
Figure RE-RE-GDA0001774324750000104
表示相应的移位寄存器与模2 加法器相连。移位寄存器与模2加法器之间相互连接的强弱关系可以通过将每 个子矩阵内的元素求和所得的大小来表征，子矩阵内各元素之和越小表示与之 对应的移位寄存器与模2加法器的连接越弱，反之越强。因此，该算法的第一 步可整理成如下表示形式：
Figure RE-RE-GDA0001774324750000105
式中，Fopt表示所选 择的嵌入秘密信息的移位寄存器，Gopt表示与移位寄存器Fopt相对应的生成子矩 阵，f(·)表示将子矩阵内元素之和映射成对应子矩阵的函数。
2)秘密信息的嵌入。
该算法的第二步为在卷积编码的过程中进行秘密信息的嵌入。具体过程如 下：对于卷积码CConv(n,1,υ)，由其生成序列可构造出一个n行υ+1列的生成序列 矩阵：
Figure RE-GDA0001774324750000106
给定一个长为l的输入信息序列u＝(u0u1…ul)，其可通过补零和循环移位构造出一个输入信息序列矩阵U，补零的个数和循环移位的次数均由记忆深度υ决定。 因此，输入到卷积码CConv(n,1,υ)的编码器的信息序列需在其后补υ个零，作为 输入信息序列矩阵U的第一行，再将补零后的序列向右循环移位υ次，且每次 移位所得的序列作为矩阵的后υ行。从而，所构造的输入信息序列矩阵有如下 形式：
Figure RE-GDA0001774324750000111
该矩阵共有υ+1行，这υ+1个行序列可记作Uj(j＝1,2,…,υ+1)，其中的后υ个行 序列Uj(j＝2,3,…,υ+1)中的各个元素即分别相应于卷积码CConv(n,1,υ)的υ个移位 寄存器F1、F2、….、Fυ在各个时刻存贮的信息比特。因此，嵌入秘密信息的 载体对象的长度扩展为原始载体对象长度的υ+1倍(由于载体长度l远大于编 码时所需补零的个数υ，此处忽略补零操作的影响)。本发明将每一比特原始 载体对象所能扩展成的实际载体对象的比特数定义为载体的利用效率Ec。从而， 基于卷积码结构信息隐藏算法的载体利用效率为Ec＝υ+1。结合算法第一步的 分析结果，在移位寄存器Fopt中嵌入秘密信息即为将秘密信息嵌入在输入信息 序列矩阵U的相应行序列Uopt+1中。最后，利用提前约定好的密钥即可进行秘密 信息的嵌入。这里的嵌入采用替换操作来实现。假如秘密信息比特是随机的， 则载体信息比特与秘密信息比特是否匹配也是随机的，故载体信息比特与秘密 信息比特不匹配的概率为1/2，这种不匹配将导致对载体的修改。载体的修改 率Rm可定义为每嵌入一比特秘密信息所需修改的载体信息比特数目。因此， 基于卷积码结构信息隐藏算法的修改率为Rm＝1/2。
注意，秘密信息的嵌入过程在卷积编码的同时进行。卷积编码的过程可用 矩阵相乘的形式表示为：
Figure RE-GDA0001774324750000121
编码输出序列矩阵V中的n个行序列即为卷积编码器n个输出端的输出序 列，将它们按列依次取值即可得到最终的编码输出。
3)秘密信息的提取。
根据第二步提出的嵌入策略，以下将具体分析相应的提取策略。由算法第 二步可知，秘密信息嵌入在输入信息序列矩阵U的行序列Uopt+1中，因此，秘密 信息的提取需要重构出矩阵U的行序列
Figure RE-GDA0001774324750000122
然后再利用共享的密钥进行提取， 具体过程如下:
首先，接收到的信号序列会被处理成一个接收序列矩阵
Figure RE-GDA0001774324750000123
与此同时，接收到的信号序列会被译码成
Figure RE-GDA0001774324750000124
基于译码序列
Figure RE-GDA0001774324750000125
按照算法第二步中构造输入信息序列矩阵的方式，可先 构造出除已嵌入秘密信息的行序列
Figure RE-GDA0001774324750000126
外的其余各行序列
Figure RE-GDA0001774324750000127
然后，根据矩阵乘法的运算法则，在任意一个元素全 为1的生成序列g(J)中选出分别与除行序列
Figure RE-GDA0001774324750000128
所在行外的其余各行相对应的 υ个系数
Figure RE-GDA0001774324750000129
并将选出的υ个系数与除行序列
Figure RE-GDA00017743247500001210
外的其余行 序列
Figure RE-GDA00017743247500001211
在每个时刻的码元分别对应相乘后进行模2相加，然 后再将所得结果与
Figure RE-GDA00017743247500001212
中第J行的序列在每个时刻的码元模2相加，即可重构出 嵌入了秘密信息的行序列
Figure RE-GDA00017743247500001213
最后，利用共享的密钥即可对秘密信息进行提取。
下面给出一个具体例子：以卷积码CConv(2,1,3)为例，假定输入信息序列为 u＝(u0u1u2u3u4)＝(10111)，秘密信息为m＝(m0m1m2m3)＝(1001)，选择的二进制矩阵H 如中取值。二进制矩阵H为2×3的矩阵，故应将秘密信息m每两个比特分为 一个秘密信息块，其中一个秘密信息块为mb,1＝(m0m1)＝(10)，另一个为 mb,2＝(m2m3)＝(01)，每个秘密信息块须嵌入到三比特的载体信息块中。由于该 算法是基于卷积码结构信息隐藏算法的改进算法，因此对于相同的部分，将直 接引用第一个算法中的结论，此处不再赘述。由式和可知，应选择行序列 U2＝(0u0u1u2u3u400)＝(01011100)作为嵌入秘密信息的载体行序列。假设由密钥决 定的载体信息块为cb,1＝(0u0u1)＝(010)、cb,2＝(u2u3u4)＝(111)。首先，计算伴随式Hcb,1＝(10)、Hcb,2＝(00)。易得，Hcb,1＝mb,1，因此，不需要对载体信息块cb,1做任 何修改，直接设置sb,1＝cb,1，而Hcb,2≠mb,2，则须计算差异Hcb,2-mb,2＝(01)，通过 对比可知，向量Hcb,2-mb,2＝(01)与矩阵H中的第一列向量相同，因此，要将mb,2嵌入到载体信息块cb,2中，需要将载体信息块cb,2中的第一个比特翻转，从而需 设置sb,2＝(011)。
在提取秘密信息时，为了简化分析，此处假设已准确无误地获取载密行序 列
Figure RE-GDA0001774324750000131
(载密行序列的获取过程详见第一个算法的分析过程)。然 后，利用密钥，提取出载密信息块
Figure RE-GDA0001774324750000132
最后，按照公式进 行计算，即可得到秘密信息块mb,1＝Hsb,1＝(10)、mb,2＝Hsb,2＝(01)。
请参照图3，图3是本发明一些实施例中的基于卷积码的物理层信息隐藏 装置的结构图，该基于卷积码的物理层信息隐藏装置，包括：第一获取模块 201、构造模块202、第二获取模块203、分割模块204以及嵌入模块205。
其中，该第一获取模块201用于获取载体信息序列u，其长度值为l；
构造模块202用于根据卷积码CConv(n,1,υ)将载体信息序列u通过补零和循 环移位构造出一个载体信息序列矩阵U，补零的个数和循环移位的次数均为υ； 该载体信息序列u＝(u0u1u2...ul)，所述构造模块202具体用于：将该载体信 息序列后面补υ个零，作为载体信息序列矩阵U的第一行，再将补零后的序列 向右循环移位υ次，且每次移位所得的序列作为矩阵的后υ行；从而构造的载 体信息序列矩阵如下：
Figure RE-GDA0001774324750000141
其中，该第二获取模块203用于获取一个q行(2q-1)列的二进制随机矩 阵H，该二进制随机矩阵H的各列由所有长度为q的非零二进制数构成；
其中，该分割模块204用于获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该 秘密信息序列m分为s/q个秘密信息块，每一秘密信息块的长度为q；
其中，该嵌入模块205用于将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q 个载体信息块中得到s/q个载密信息块。嵌入模块205具体用于根据预设密钥 在载体信息序列矩阵U的载体行序列中选取s/q个载体信息块，并将该s/q 个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块。 通过修改载体信息块Cb使传输的载体行序列中的各个载体信息块满足mb＝Hsb， 其中mb为秘密信息块，sb是由载体信息块Cb修改得到的载密信息块。Hsb称为 sb的伴随式。如果载体信息块的伴随式恰好满足Hcb＝mb，则载体信息块cb本身就能够正确地传递秘密信息块mb，发送方不需要对这个载体信息块做任何 修改，直接设置sb＝cb，然后在下一个载体信息块中嵌入另外q比特秘密信息即 可，这种情况发生的概率为1/2q。
当Hcb≠mb时，发送者需要在矩阵H中查找差异Hcb-mb对应的列。注意到， 矩阵H的列向量包含了所有长度为q的非零二进制数，因此一定能找到差异 Hcb-mb对应的列。如果找到的对应列为第j列，则须修改载体信息块cb中的第 j个比特，并保持其余比特不变。修改后得到的载密信息块sb的伴随式即与秘 密信息块相匹配，满足Hsb＝mb。
隐秘信息提取时，接收者首先按照基于卷积码结构信息隐藏算法中提取秘 密信息的方式恢复出嵌入了秘密信息的载密行序列。然后利用密钥，在所恢复 出的载密行序列中沿着与发送者相同的路径，读出每个载密信息块，并计算伴 随式，该伴随式即为要提取的q比特的秘密信息块。
在该算法中，每个载体信息块中的2q-1个载体信息比特均未被修改的概率 为1/2q，其余情况下均对2q-1个载体信息比特中的一个比特进行了修改，即修 改一位的概率为1-1/2q。由此，可以计算出平均嵌入修改数目为 0×1/2q+1×(1-1/2q)＝1-1/2q，故根据修改率的定义可得，增强型IH-Conv.算法 的修改率为：
Figure RE-GDA0001774324750000151
由上可知，本发明通过获取载体信息序列u，其长度值为l；根据卷积码 CConv(n,1,υ)将载体信息序列u通过补零和循环移位构造出一个载体信息序列矩 阵U，补零的个数和循环移位的次数均为υ；获取一个q行(2q-1)列的二进 制随机矩阵H，该二进制随机矩阵H的各列由所有长度为q的非零二进制数构 成；获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该秘密信息序列m分为s/q个 秘密信息块，每一秘密信息块的长度为q；将该s/q个秘密信息块一一对应地 嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块；从而实现秘密信息的隐藏， 具有提高信息安全的有益效果。
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：获取载 体信息序列u，其长度值为l；根据卷积码CConv(n,1,υ)将载体信息序列u通过补 零和循环移位构造出一个载体信息序列矩阵U，补零的个数和循环移位的次数 均为υ；获取一个q行(2q-1)列的二进制随机矩阵H，该二进制随机矩阵H 的各列由所有长度为q的非零二进制数构成；获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该秘密信息序列m分为s/q个秘密信息块，每一秘密信息块的长度 为q；将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q 个载密信息块。
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。
本发明还提供了一种秘密信息提取方法，包括以下步骤：
S501、将接收到的信号序列处理成一个接收序列矩阵
Figure RE-GDA0001774324750000161
S502、对所述接收序列矩阵
Figure RE-GDA0001774324750000162
进行译码，得到译码序列
Figure RE-GDA0001774324750000163
S503、基于所述译码序列
Figure RE-GDA0001774324750000164
构造出除已嵌入秘密信息的行序列
Figure RE-GDA0001774324750000165
外的 其余各行序列
Figure RE-GDA0001774324750000166
S504、根据矩阵乘法的运算法则，在任意一个元素全为1的生成序列g(J)中 选出分别与除行序列
Figure RE-GDA0001774324750000167
所在行外的其余各行相对应的υ个系数
Figure RE-GDA0001774324750000168
S505、将选出的υ个系数与除行序列
Figure RE-GDA0001774324750000169
外的其余行序列
Figure RE-GDA00017743247500001610
在每个时刻的码元分别对应相乘后进行模2相加，然后再 将所得结果与接收序列矩阵
Figure RE-GDA00017743247500001611
中第J行的序列在每个时刻的码元模2相加，从 而获取到嵌入秘密信息的行序列
Figure RE-GDA00017743247500001612
S506、利用预设密钥从秘密信息的行序列中提取出秘密信息。
其中，根据第二步提出的嵌入策略，以下将具体分析相应的提取策略。由 算法第二步可知，秘密信息嵌入在输入信息序列矩阵U的行序列Uopt+1中，因此， 秘密信息的提取需要重构出矩阵U的行序列
Figure RE-GDA00017743247500001613
然后再利用共享的密钥进行 提取，具体过程如下:
首先，接收到的信号序列会被处理成一个接收序列矩阵
Figure RE-GDA00017743247500001614
与此同时，接收到的信号序列会被译码成：
Figure RE-GDA0001774324750000171
基于译码序列
Figure RE-GDA0001774324750000172
按照算法第二步中构造输入信息序列矩阵的方式，可先构造 出除已嵌入秘密信息的行序列
Figure RE-GDA0001774324750000173
外的其余各行序列
Figure RE-GDA0001774324750000174
然后，根据矩阵乘法的运算法则，在任意一个元素全为1的生成序列g(J)中选 出分别与除行序列
Figure RE-GDA0001774324750000175
所在行外的其余各行相对应的υ个系数
Figure RE-GDA0001774324750000176
并将选出的υ个系数与除行序列
Figure RE-GDA0001774324750000177
外的其余行序列
Figure RE-GDA0001774324750000178
在每个时刻的码元分别对应相乘后进行模2相加，然后再 将所得结果与
Figure RE-GDA0001774324750000179
中第J行的序列在每个时刻的码元模2相加，即可重构出嵌入 了秘密信息的行序列
Figure RE-GDA00017743247500001710
最后，利用共享的密钥即可对秘密信息进行提取。
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卷积码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 (8)

1.一种基于卷积码的信息隐藏方法，其特征在于，包括以下步骤：
获取载体信息序列u，在与模2加法器具有弱连接关系的移位寄存器中执行信息嵌入操作；
根据卷积码
Figure FDA0002446532380000011
将载体信息序列u通过补零和循环移位构造出一个载体信息序列矩阵U，补零的个数和循环移位的次数均为υ；
获取一个q行(2q-1)列的二进制随机矩阵H，该二进制随机矩阵H的各列由所有长度为q的非零二进制数构成；
获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该秘密信息序列m分为s/q个秘密信息块，每一秘密信息块的长度为q，其中q刚好能整除s；
将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块；
所述将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到该s/q个载体信息块中的过程中：通过修改载体信息块Cb使传输的载体行序列中的各个载体信息块满足mb＝Hsb，其中mb为秘密信息块，sb是由载体信息块Cb修改得到的载密信息块；
所述将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块的步骤包括：根据预设密钥在载体信息序列矩阵U的载体行序列中选取s/q个载体信息块，并将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块。
2.根据权利要求1所述的基于卷积码的信息隐藏方法，其特征在于，所述根据卷积码
Figure FDA0002446532380000012
将载体信息序列u通过补零和循环移位构造出一个载体信息序列矩阵U的步骤包括：
该载体信息序列u＝(u0u1u2...ul)，将该载体信息序列后面补υ个零，作为载体信息序列矩阵U的第一行，再将补零后的序列向右循环移位υ次，且每次移位所得的序列作为矩阵的后υ行；从而构造的载体信息序列矩阵如下：
Figure FDA0002446532380000013
3.根据权利要求1所述的基于卷积码的信息隐藏方法，其特征在于，所述根据预设密钥在载体信息序列矩阵U的载体行序列中选取s/q个载体信息块的步骤中，根据预设密钥在载体信息序列矩阵U的载体行序列中沿伪随机路径选取s/q个载体信息块。
4.一种基于卷积码的信息隐藏装置，其特征在于，包括：
第一获取模块，用于获取载体信息序列u，并在与模2加法器具有弱连接关系的移位寄存器中执行信息嵌入操作；
构造模块，用于根据卷积码
Figure FDA0002446532380000021
将载体信息序列u通过补零和循环移位构造出一个载体信息序列矩阵U，补零的个数和循环移位的次数均为υ；
第二获取模块，用于获取一个q行(2q-1)列的二进制随机矩阵H，该二进制随机矩阵H的各列由所有长度为q的非零二进制数构成；
分割模块，用于获取秘密信息序列m，其长度值为s，并将该秘密信息序列m分为s/q个秘密信息块，每一秘密信息块的长度为q；
嵌入模块，用于将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块；其中，
所述将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到该s/q个载体信息块中的过程中：通过修改载体信息块Cb使传输的载体行序列中的各个载体信息块满足mb＝Hsb，其中mb为秘密信息块，sb是由载体信息块Cb修改得到的载密信息块；
所述将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块包括：根据预设密钥在载体信息序列矩阵U的载体行序列中选取s/q个载体信息块，并将该s/q个秘密信息块一一对应地嵌入到s/q个载体信息块中得到s/q个载密信息块。
5.根据权利要求4所述的基于卷积码的信息隐藏装置，其特征在于，该载体信息序列u＝(u0u1u2...ul)，所述构造模块用于：
将该载体信息序列后面补υ个零，作为载体信息序列矩阵U的第一行，再将补零后的序列向右循环移位υ次，且每次移位所得的序列作为矩阵的后υ行；从而构造的载体信息序列矩阵如下：
Figure FDA0002446532380000022
Figure FDA0002446532380000031
6.一种秘密信息提取方法，其特征在于，包括以下步骤：
将接收到的信号序列处理成一个接收序列矩阵
Figure FDA0002446532380000032
对所述接收序列矩阵
Figure FDA0002446532380000033
进行译码，得到译码序列
Figure FDA0002446532380000034
基于所述译码序列
Figure FDA0002446532380000035
构造出除已嵌入秘密信息的行序列
Figure FDA0002446532380000036
外的其余各行序列
Figure FDA0002446532380000037
根据矩阵乘法的运算法则，在任意一个元素全为1的生成序列g(J)中选出分别与除行序列
Figure FDA0002446532380000038
所在行外的其余各行相对应的υ个系数
Figure FDA0002446532380000039
将选出的υ个系数与除行序列
Figure FDA00024465323800000310
外的其余行序列
Figure FDA00024465323800000311
在每个时刻的码元分别对应相乘后进行模2相加，然后再将所得结果与接收序列矩阵
Figure FDA00024465323800000312
中第J行的序列在每个时刻的码元模2相加，从而获取到嵌入秘密信息的行序列
Figure FDA00024465323800000313
利用预设密钥从秘密信息的行序列中提取出秘密信息。
7.一种存储介质，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3任一项所述的方法。
8.一种终端，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3任一项所述的方法。
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