CN110190933B - 基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法及系统 - Google Patents

基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本公开涉及一种基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法，是包含发射端和接收端的无线通信系统的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法，其特征在于，包括：发射端将第一信息信号分块发送，第一信息信号经过信道传输和信道均衡得到第二信息信号；接收端接收第二信息信号，对第二信息信号进行解调和解码获得没有隐藏信息的基础信号，并对基础信号进行重新编码和重新调制获得第三信息信号；将第二信息信号与第三信息信号进行匹配滤波获得待检量；基于设定虚警概率获得最佳阈值；并且基于最佳阈值和待检量获得平均检测概率，基于平均检测概率判断第二信息信号是否包括隐藏信息。根据本公开，能够更好地检测隐藏信息，提高通信的安全性。

Description

基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法及系统
技术领域
本公开涉及无线通信技术领域，具体涉及一种基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法及系统。
背景技术
现今，在无线通信系统中经常发生机密资料流失、非法信息泛滥、恐怖主义等现象，因此，需要在无线通信物理层获得更安全的信息传输。在信道编码之后嵌入秘密信息，对秘密信息进行检测分析，根据检测分析的结果对传输的信息进行验证。
现有的物理层的隐藏方法主要是借助信道编码的冗余和信道的随机误差来进行隐藏，而这种方法很难抵抗统计攻击。由于信息嵌入会引起原有信息的改变，因此隐藏检测算法可以利用这一差别对信息信号进行分析。
在目前的检测技术中，针对LSB隐藏的检测方面，卡方检测法是最早的检测算法，其通过定义一个卡方统计量来测试图像存在这种统计特性的概率，实现了对顺序LSB替换的检测，但是无法检测随机位置的LSB替换。针对LSB匹配的检测算法基本采用了神经网络、模式识别等方法，对特征集进行训练来提取有效的特征，再通过多个特征的联合判决实现对隐蔽信息的检测，但这些方法运算量大、检测结果不够精确，并且具有局限性。
发明内容
本公开是有鉴于上述的状况而提出的，其目的在于提供一种能够能够更好地检测隐藏信息且提高通信的安全性的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法及系统。
为此，本公开的第一方面提供了一种基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法，是包含发射端和接收端的无线通信系统的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法，其特征在于，包括：所述发射端将第一信息信号分块发送，所述第一信息信号经过信道传输和信道均衡得到第二信息信号；所述接收端接收所述第二信息信号，对所述第二信息信号进行解调和解码获得没有隐藏信息的基础信号，并对所述基础信号进行重新编码和重新调制获得第三信息信号；将所述第二信息信号与所述第三信息信号进行匹配滤波获得待检量；基于设定虚警概率获得最佳阈值；并且基于所述最佳阈值和所述待检量获得平均检测概率，基于所述平均检测概率判断所述第二信息信号是否包括隐藏信息。
在本公开中，所述发射端分块发送的第一信息信号经过信道传输和信道均衡得到第二信息信号，所述接收端接收所述第二信息信号，并对第二信息信号进行调解和解码，获得没有隐藏信息的基础信号，对基础信号进行重新编码和重新调制获得第三信息信号，将所述第二信息信号和第三信息信号进行匹配滤波获得待检量，基于设定虚警概率获得最佳阈值，基于所述最佳阈值和所述待检量获得平均检测概率，以判断所述第二信息信号是否包括隐藏信息。由此，能够更好地检测隐藏信息，提高通信的安全性。
在本公开第一方面所涉及的检测方法中，可选地，假设验证条件包括第一条件和第二条件，所述第一条件H0满足式(Ⅰ)：H0：
Figure BDA0002089428320000021
其中，
Figure BDA0002089428320000022
表示所述第二信息信号的第i个消息块，
Figure BDA0002089428320000023
表示正常信号的第i个消息块，所述第二条件H1满足式(Ⅱ)：H1：
Figure BDA0002089428320000024
其中，
Figure BDA0002089428320000025
表示隐秘信号的第i个消息块，利用所述假设验证条件获得第一待检量和第二待检量。由此，接收端可以为计算两种条件下第二信息信号的待检量提供基础。
在本公开第一方面所涉及的检测方法中，可选地，所述第一待检量满足式(Ⅲ)：τi|H0＝vi (Ⅲ)，其中，vi表示
Figure BDA0002089428320000026
属于复数高斯分布，所述第二待检量满足式(Ⅳ)：
Figure BDA0002089428320000027
其中，rs表示修改率，L表示第一信息信号被调制前的长度，M表示调制阶数。由此，接收端能够计算得到第一待检量和第二待检量。
在本公开第一方面所涉及的检测方法中，可选地，所述最佳阈值θ0满足式(Ⅴ)：
Figure BDA0002089428320000028
其中，εPFA表示所述设定虚警概率，L表示所述第二信息信号被调制前的长度，M表示调制阶数，
Figure BDA0002089428320000029
表示所述第一信息信号的信道噪声的高斯分布方差，
Figure BDA00020894283200000210
表示所述第二信息信号的信道的高斯分布方差。由此，能够获得最佳阈值。
在本公开第一方面所涉及的检测方法中，可选地，所述第二信息信号的平均检测概率PD满足式(Ⅵ)：
Figure BDA0002089428320000031
其中，L表示所述第一信息信号被调制前的长度，M表示调制阶数，θ0表示所述最佳阈值，rS表示修改率，
Figure BDA0002089428320000032
表示所述第二信息信号的信道噪声的高斯分布方差，
Figure BDA0002089428320000033
表示所述第二信息信号的信道的高斯分布方差，sign(x)表示符号函数。由此，能够获得平均检测概率。
本公开的第二方面提供了一种基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测系统，是包含发射装置和接收装置的无线通信系统的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测系统，其特征在于，包括：所述发射装置，其用于将第一信息信号分块发送；以及所述接收装置，其包括获取模块、处理模块和计算模块，所述获取模块用于接收第二信息信号，所述第二信息信号是所述第一信息信号经过信道传输和信道均衡得到的，所述处理模块用于对所述第二信息信号进行调解和解码获得没有隐藏信息的基础信号，并对所述基础信号进行重新编码和重新调制获得第三信息信号，所述计算模块用于将所述第二信息信号与所述第三信息信号进行匹配滤波获得待检量，基于设定虚警概率获得最佳阈值，基于所述最佳阈值和所述获得平均检测概率，并基于所述平均检测概率判断所述第二信息信号是否包括隐藏信息。
在本公开中，所述发射装置分块发送的第一信息信号经过信道传输和信道均衡得到第二信息信号，所述接收装置中的获取模块接收所述第二信息信号，所述接收装置中的处理模块对第二信息信号进行调解和解码，获得没有隐藏信息的基础信号，对基础信号进行重新编码和重新调制获得第三信息信号，所述接收装置中的计算模块将所述第二信息信号和第三信息信号进行匹配滤波获得待检量，基于所述设定虚警概率获得最佳阈值，基于所述最佳阈值和所述待检量获得平均检测概率，以判断所述第二信息信号是否包括隐藏信息。由此，能够更好地检测隐藏信息，提高通信的安全性。
在本公开第二方面所涉及的检测系统中，可选地，在所述计算模块中，假设验证条件包括第一条件和第二条件，所述第一条件H0满足式(Ⅰ)：H0：
Figure BDA0002089428320000041
其中，
Figure BDA0002089428320000042
表示所述第一信息信号的第i个消息块，
Figure BDA0002089428320000043
表示正常信号的第i个消息块，所述第二条件H1满足式(Ⅱ)：H1：
Figure BDA0002089428320000044
其中，
Figure BDA0002089428320000045
表示隐秘信号的第i个消息块，利用所述假设验证条件获得第一待检量和第二待检量。由此，接收装置可以为计算两种条件下第二信息信号的待检量提供基础。
在本公开第二方面所涉及的检测方法中，可选地，在所述计算模块中，所述第一待检量满足式(Ⅲ)：τi|H0＝vi (Ⅲ)，其中，vi表示
Figure BDA0002089428320000046
属于复数高斯分布，所述第二待检量满足式(Ⅳ)：
Figure BDA0002089428320000047
其中，rs表示修改率，L表示第一信息信号被调制前的长度，M表示调制阶数。由此，接收装置能够计算得到第一待检量和第二待检量。
在本公开第二方面所涉及的检测系统中，可选地，在所述计算模块中，所述最佳阈值θ0满足式(Ⅴ)：
Figure BDA0002089428320000048
其中，εPFA表示所述设定虚警概率，L表示所述第一信息信号被调制前的长度，M表示调制阶数，
Figure BDA0002089428320000049
表示所述第二信息信号的信道噪声的高斯分布方差，
Figure BDA00020894283200000410
表示所述第二信息信号的信道的高斯分布方差。由此，能够获得最佳阈值。
在本公开第二方面所涉及的检测系统中，可选地，在所述计算模块中，所述第二信息信号的平均检测概率PD满足式(Ⅵ)：
Figure BDA00020894283200000411
其中，L表示所述第一信息信号被调制前的长度，M表示调制阶数，θ0表示所述最佳阈值，rS表示修改率，
Figure BDA00020894283200000412
表示所述第二信息信号的信道噪声的高斯分布方差，
Figure BDA00020894283200000413
表示所述第二信息信号的信道的高斯分布方差，sign(x)表示符号函数。由此，能够获得平均检测概率。
与现有技术相比，本公开的示例具备以下有益效果：
针对现有物理层信息隐藏方法，提出了一种基于假设检验来构建待检量的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法及系统，并提出了完整的理论模型，完全理论化分析了检测正确概率(PD)和虚警概率(PFA)并且给出了封闭解并且与实验结果完全匹配，得到了实验验证。另外，根据本公开能够减少运算量、提高检测结果的精确度、更好地检测隐藏信息且提高通信的安全性。
附图说明
图1是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的信号传输示意图。
图2是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的流程示意图。
图3是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的替换法隐藏信息嵌入示意图。
图4是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的信号处理示意图。
图5a是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的二进制相移键控调制下性能仿真示意图。
图5b是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在正交相移键控调制下性能仿真示意图。
图6a是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在二进制相移键控调制仿真中嵌入率不同情况下的性能示意图。
图6b是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在正交相移键控调制仿真中嵌入率不同情况下的性能示意图。
图7a是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在二进制相移键控调制仿真中编码长度不同情况下的性能示意图。
图7b是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在正交相移键控调制仿真中编码长度不同情况下的性能示意图。
图8是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测系统的结构示意图。
图9是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测系统的接收装置模块图。
具体实施方式
以下，参考附图，详细地说明本公开的优选实施方式。在下面的说明中，对于相同的部件赋予相同的符号，省略重复的说明。另外，附图只是示意性的图，部件相互之间的尺寸的比例或者部件的形状等可以与实际的不同。
需要说明的是，本公开的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”、“第三”和“第四”等是用于区别不同对象，而不是用于描述特定顺序。此外，术语“包括”和“具有”以及它们任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
本公开涉及一种基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法及系统。在本公开中，能够将接收的信息信号基于假设检验来构建待检量，进而判断接收的信息信号是否包括隐藏信息，由此，能够减少运算量、提高检测结果的精确度、更好地检测隐藏信息且提高通信的安全性。以下结合附图进行详细描述本公开。
图1是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的的信号传输示意图。
在本公开中，如图1所示，基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法基于一个通用的信号传输模型。在这个信号传输模型中，包括发射端和接收端。发射端的数量可以是但不限于1个。接收端的数量可以是但不限于1个。发射端与接收端之间可以通过无线信道进行信号传输。
在一些示例中，上述如图1的示意图中的发射端可以包括基站或用户设备。基站(例如接入点)可以是指接入网中在空中接口上通过一个或多个扇区与无线终端通信的设备。基站可用于将收到的空中帧与IP分组进行相互转换，作为无线终端与接入网的其余部分之间的路由器，其中，接入网的其余部分可包括网际协议(IP)网络。基站还可以协调对空中接口的属性管理。例如，基站可以是GSM或CDMA中的基站(BTS，Base TransceiverStation)，也可以是WCDMA中的基站(NodeB)，还可以是LTE中的演进型基站(NodeB或eNB或e-NodeB，evolutional Node B)。
在一些示例中，用户设备可以包括但不限于智能手机、笔记本电脑、个人计算机(Personal Computer，PC)、个人数字助理(Personal Digital Assistant，PDA)、移动互联网设备(Mobile Internet Device，MID)、穿戴设备(如智能手表、智能手环、智能眼镜)等各类电子设备，其中，该用户设备的操作系统可包括但不限于Android操作系统、IOS操作系统、Symbian(塞班)操作系统、Black Berry(黑莓)操作系统、Windows Phone8操作系统等。
在一些示例中，接收端可以包括上述的基站或用户设备。
图2是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的流程示意图。图3是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的替换法隐藏信息嵌入示意图。图4是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的信号处理示意图。
本公开涉及一种基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法可以是具有发射端和接收端的无线通信系统的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法。另外，本公开涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法可以是对替换法隐藏信息嵌入的检测方法。
在一些示例中，基于上述的信号传输模型，如图2所示，基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法可以包括：发射端将第一信息信号分块发送，第一信息信号经过信道传输和信道均衡得到第二信息信号(步骤S110)；接收端接收第二信息信号，对第二信息信号进行解调和解码获得没有隐藏信息的基础信号，并对基础信号进行重新编码和重新调制获得第三信息信号(步骤S120)；将第二信息信号与第三信息信号进行匹配滤波获得待检量(步骤S130)；基于设定虚警概率获得最佳阈值(步骤S140)和基于最佳阈值和待检量获得平均检测概率，基于平均检测概率判断第二信息信号是否包括隐藏信息(步骤S150)。
在步骤S110中，发射端可以将第一信息信号分块发送。也即，发射端可以将第一信息信号以信息块(也即数据块)的形式进行发送。其中，xi可以表示第i个第一信息信号的信息块，也即xi可以表示第i块第一信息信号。
在一些示例中，第i块第一信息信号xi可以是不包含隐藏信息的正常信号，也可以是包含隐藏信息的隐秘信号。如图3所示，白色区域可以表示用户所要传递的信息。黑色区域可以表示隐藏信息。将隐藏信息嵌入白色区域并替代相应区域的信息得到隐秘信号。
在一些示例中，图3所示的白色区域可以表示已经编码的信息。将隐藏信息嵌入已经编码的信息中获得隐秘信号。
在一些示例中，第i块第一信息信号xi可以由第i块基础信号si获得。具体而言，如图4所示，将第i块基础信号si经过编码获得第i块编码信息信号ui。第i块编码信息信号ui中可能包含有隐藏信息且满足
Figure BDA0002089428320000081
对第i块编码信息信号ui进行调制获得第i块第一信息信号xi。第i块第一信息信号xi满足
Figure BDA0002089428320000082
其中，
Figure BDA0002089428320000083
M是调制阶数。L表示第一信息信号被调制前的长度。
在步骤S110中，第i块第一信息信号xi经过信道传输和信道均衡得到第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000084
具体而言，如图4所示，第i块第一信息信号xi经过无线信道的传输获得第i块接收信号yi。第i块接收信号yi满足yi＝hixi+ni。其中，hi是第i个信息块的信道服从零均值的复数高斯分布且满足
Figure BDA0002089428320000085
hi的方差为
Figure BDA0002089428320000086
ni表示第i个信息块的信道噪声，ni服从零均值复数高斯分布且满足
Figure BDA0002089428320000087
ni的方差为
Figure BDA0002089428320000088
在一些示例中，信道可以服从独立衰落的信道模型。由此，第i块第一信息信号xi的各个信息块服从独立衰落。
在一些示例中，如图4所示，第i块接收信号yi经过信道均衡(也即信道估计)得到第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000089
第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000810
可以满足式(1)：
Figure BDA00020894283200000811
其中，
Figure BDA00020894283200000812
表示第i个信息块的信道估计，假设信道估计是理想的，则满足
Figure BDA00020894283200000813
(·)*是取共轭运算。
在一些示例中，在接收端可以假设隐秘信息的长度为LR，假设正常信号的长度为LC，则隐藏信息的嵌入率Rs满足
Figure BDA00020894283200000814
另外，当嵌入的隐藏信息与相应的正常信号不同时才会被替换，则正常信号被修改的概率为0.5，故可以定义修改率rs为
Figure BDA00020894283200000815
在步骤120中，接收端接收第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000816
并对第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000817
进行解调和解码获得没有隐藏信息的第i块基础信号
Figure BDA00020894283200000818
具体而言，如图4所示，接收端对第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000819
进行解调获得第i块解调信号
Figure BDA00020894283200000820
对第i块解调信号
Figure BDA00020894283200000821
进行解码获得第i块基础信号
Figure BDA00020894283200000822
由于纠错码的纠错恢复，因此获得的第i块基础信号
Figure BDA00020894283200000823
是不包含隐藏信息的。第i块基础信号
Figure BDA00020894283200000824
满足
Figure BDA00020894283200000825
在步骤120中，对第i块基础信号
Figure BDA00020894283200000826
进行重新编码和重新调制获得第i块第三信息信号
Figure BDA00020894283200000827
具体而言，如图4所示，接收端对第i块基础信号
Figure BDA00020894283200000828
进行重新编码获得第i块参考编码信号
Figure BDA0002089428320000091
第i块参考编码信号
Figure BDA0002089428320000092
满足
Figure BDA0002089428320000093
对第i块参考编码信号
Figure BDA0002089428320000094
重新调制获得第i块第三信息信号
Figure BDA0002089428320000095
第i块第三信息信号
Figure BDA0002089428320000096
满足
Figure BDA0002089428320000097
在一些示例中，接收端可以基于第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000098
与第i块第三信息信号
Figure BDA0002089428320000099
判断第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000910
中是否包括隐藏信息。也即接收端可以使用假设验证的方法对第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000911
和第i块第三信息信号
Figure BDA00020894283200000912
进行比较，从而判断第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000913
中是否包括隐藏信息。具体可以参见步骤S130至步骤S150。
在步骤S130中，将第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000914
与第i块第三信息信号
Figure BDA00020894283200000915
进行匹配滤波获得第i个信息块的待检量τi。由于接收端接收到的第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000916
可能包含隐藏信息，也可能不包含隐藏信息。设第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000917
不包含隐藏信息为第一条件H0，设第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200000918
包含隐藏信息为第二条件H1。第一条件H0和第二条件H1为假设验证方法的两个条件。其中，第一条件H0满足式(2)：H0：
Figure BDA00020894283200000919
Figure BDA00020894283200000920
表示第二信息信号的第i个消息块(也即第二信息信号)，
Figure BDA00020894283200000921
表示正常信号的第i个消息块(也即正常信号)。第二条件H1满足式(3)：H1：
Figure BDA00020894283200000922
其中，
Figure BDA00020894283200000923
表示隐秘信号的第i个消息块(也即隐秘信号)。
在一些示例中，在第一条件H0下的待检量τi可以满足式(4)：
Figure BDA00020894283200000924
在第二条件H1下的待检量τi可以满足式(5)：
Figure BDA00020894283200000925
其中，
Figure BDA00020894283200000926
vi属于复数高斯分布且满足
Figure BDA00020894283200000927
rs表示修改率，L表示第一信息信号被调制前的长度，M表示调制阶数。例如，调制阶数M可以是2，也可以是4。|hi|2服从指数分布。
在一些示例中，接收端可以对vi进行方差计算，vi的方差可以满足(6)：
Figure BDA00020894283200000928
其中，PS表示第一信息信号xi的能量。其中，能量PS可以等于1。
在一些示例中，对第i个信息块的待检量τi取实部δi，实部δi满足
Figure BDA0002089428320000101
相应地，上述的第一条件H0可以转化为式(7)：H0:
Figure BDA0002089428320000102
上述的第二条件H1可以转化为式(8)：H1:
Figure BDA0002089428320000103
在步骤S140中，基于设定虚警概率εPFA可以得到最佳阈值θ0。具体而言，最佳阈值θ0满足式(9)：
Figure BDA0002089428320000104
其中，
Figure BDA0002089428320000105
表示信道噪声的高斯分布的方差，
Figure BDA0002089428320000106
表示第二信息信号的信道的高斯分布方差。
在一些示例中，接收端可以通过设定虚警概率εPFA得到实际虚警概率。具体而言，根据高斯分布的累积分布函数(CDF)可以获得第i个消息块的虚警概率。第i个消息块的实际虚警概率满足式(10)
Figure BDA0002089428320000107
其中，θi是第i个消息块的最佳阈值。
在一些示例中，由于hi是零均值高斯分布且|hi|2服从指数分布，基于式(11)：
Figure BDA0002089428320000108
可以对所有消息块取平均值，得到平均实际虚警概率PFA，平均实际虚警概率PFA可以根据公式(12)计算得到：
Figure BDA0002089428320000109
在步骤S150中，基于最佳阈值和待检量获得平均检测概率，基于平均检测概率判断第二信息信号是否包括隐藏信息(步骤S150)。具体而言，接收端基于在步骤S130中计算得到的第二条件H1下的第i个信息块的待检量τi和在步骤S140中计算得到的最佳阈值θ0计算得到第二信息信号的平均检测概率PD。
在一些示例中，接收端可以基于最佳阈值θ0得到第i块第二信息信号
Figure BDA00020894283200001010
中第i个消息块的检测概率PD,i，第i个消息块的检测概率PD,i可以根据式(13)计算得到：
Figure BDA0002089428320000111
在一些示例中，接收端可以基于第i个消息块的检测概率PD,i得到第二信息信号的平均检测概率PD，平均检测概率PD可以根据下式(14)计算得到：
Figure BDA0002089428320000112
在一些示例中，接收端可以简化式(14)，简化后的平均检测概率PD满足式(15)：
Figure BDA0002089428320000113
其中
Figure BDA0002089428320000114
为符号函数。当
Figure BDA0002089428320000115
的值大于或等于零时，
Figure BDA0002089428320000116
的值为1。当
Figure BDA0002089428320000117
的值小于零时，
Figure BDA0002089428320000118
的值为-1。
在一些示例中，接收端基于计算得到的平均检测概率PD确定第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000121
中是否存在隐藏信息。具体而言，接收端可以设置第二设定阈值，第二设定阈值可以根据经验设置。当平均检测概率PD大于或等于第二设定阈值，第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000122
中存在隐藏信息。当平均检测概率PD小于第二设定阈值，第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000123
中不存在隐藏信息。
在一些示例中，分别在二进制相移键控调制方式和正交相移键控调制方式下对接收端接收的第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000124
进行仿真。具体而言，设定隐藏信息的长度LR为10，设定仿真统计的点数n为31，设定虚警概率为0.01。
图5a是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的二进制相移键控调制下性能仿真示意图。图5b是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在正交相移键控调制下性能仿真示意图。如图5a和图5b所示，在二进制相移键控调制方式和正交相移键控调制方式下，将接收端接收的第二信息信号进行仿真的结果与理论公式结果进行比较。理论结果曲线与仿真结果曲线几乎吻合，由此可知，对接收端接收的第二信息信号进行仿真的结果与理论公式匹配，验证了理论公式的正确性。由于二进制相移键控调制方式的抗误码性能好于正交相移键控调制方式的抗误码性，二进制相移键控调制方式的仿真结果优于正交相移键控调制方式的仿真结果。
在一些示例中，在仿真实验中设定不同隐藏信息的嵌入率(也即修改率)，比较不同嵌入率情况下的检测方法的性能。
图6a是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在二进制相移键控调制仿真中嵌入率不同情况下的性能示意图。图6b是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在正交相移键控调制仿真中嵌入率不同情况下的性能示意图。
如图6a和图6b所示，在二进制相移键控调制方式和正交相移键控调制方式进行仿真，根据曲线走势，隐藏信息的嵌入率越高，越多的消息被修改，越容易被接收端检测出来。接收端接收信号的信噪比越大，越容易被接收端检测出来。
在一些示例中，设定纠错能力不变，设定不同情况下的正常信号的长度为LC，同时设定嵌入隐藏信息的长度和个数保持不变，比较这种情况下的检测方法的性能。
图7a是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在二进制相移键控调制仿真中编码长度不同情况下的性能示意图。图7b是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法在正交相移键控调制仿真中编码长度不同情况下的性能示意图。
如图7a和图7b所示，在二进制相移键控调制方式和正交相移键控调制方式进行仿真，根据曲线走势，编码信息的长度越长，相当于降低隐藏信息的嵌入率，接收端越难检测出隐藏信息。
图8是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测系统的结构示意图。本公开涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测系统1可以简称为检测系统1。检测系统1可以是包含发射装置10和接收装置20的无线通信系统的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测系统1。发射装置10可以与上述的发射端概念相同。接收装置20可以与上述的接收端概念相同。其中接收装置10与接收装置20可以通过无线通信的方式进行信号传输。
在一些示例中，发射装置10可以将第一信息信号分块发送。也即，发射装置10可以将第一信息信号以信息块(也即数据块)的形式进行发送。在无线传输过程中，第i块第一信息信号xi经过信道传输和信道均衡得到第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000131
具体参见步骤S110。
在一些示例中，接收装置20可以接收第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000132
并对其进行处理。
图9是示出了本公开示例所涉及的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法的接收装置模块图。如图9所示，接收装置20可以包括获取模块21、处理模块22和计算模块23。在一些示例中，获取模块21可以接收第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000133
在一些示例中，处理模块22可以对第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000134
进行调解和解码，获得没有隐藏信息的第i块基础信号
Figure BDA0002089428320000135
对基础信号进行重新编码和重新调制获得第i块第三信息信号
Figure BDA0002089428320000136
具体参见步骤S120。
在一些示例中，计算模块23可以将第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000137
和第i块第三信息信号
Figure BDA0002089428320000138
进行匹配滤波获得第i个消息块的待检量τi。具体参见步骤S130。
在一些示例中，计算模块23可以基于第i个消息块的待检量τi获得虚警概率，基于虚警概率获得最佳阈值θ0。具体参见步骤S140。
在一些示例中，计算模块23可以基于最佳阈值θ0获得平均检测概率PFA，基于平均检测概率PFA判断第i块第二信息信号
Figure BDA0002089428320000141
是否包括隐藏信息。具体参见步骤S150。
在本公开中，针对现有物理层信息隐藏方法，提出了一种基于假设检验来构建待检量的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法及系统，并提出了完整的理论模型，完全理论化分析了检测正确概率(PD)和虚警概率(PFA)并且给出了封闭解并且与实验结果完全匹配，得到了实验验证。另外，根据本公开能够减少运算量、提高检测结果的精确度、更好地检测隐藏信息且提高通信的安全性。
虽然以上结合附图和实施例对本公开进行了具体说明，但是可以理解，上述说明不以任何形式限制本公开。本领域技术人员在不偏离本公开的实质精神和范围的情况下可以根据需要对本公开进行变形和变化，这些变形和变化均落入本公开的范围内。

Claims (2)

1.一种基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法，是包含发射端和接收端的无线通信系统的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测方法，其特征在于，
包括：
所述发射端将第一信息信号分块发送，所述第一信息信号经过信道传输和信道均衡得到第二信息信号；
所述接收端接收所述第二信息信号，对所述第二信息信号进行解调和解码获得没有隐藏信息的基础信号，并对所述基础信号进行重新编码和重新调制获得第三信息信号；
将所述第二信息信号与所述第三信息信号基于假设验证条件进行匹配滤波获得待检量；
基于设定虚警概率获得最佳阈值；并且
基于所述最佳阈值和所述待检量获得平均检测概率，基于所述平均检测概率判断所述第二信息信号是否包括隐藏信息，所述接收端设置第二设定阈值，所述平均检测概率大于或等于所述第二设定阈值，所述第二信息信号中包括隐藏信息，所述平均检测概率小于所述第二设定阈值，所述第二信息信号中不包括隐藏信息，
其中，所述接收端基于隐藏信息的长度和正常信号的长度获得隐藏信息的嵌入率，进而获得修改率，所述修改率满足
Figure FDA0002632053120000011
rs表示修改率，LR表示隐藏信息的长度，LC表示正常信号的长度，
所述假设验证条件包括第一条件和第二条件，第一条件H0满足H0：
Figure FDA0002632053120000012
第二条件H1满足H1：
Figure FDA0002632053120000013
Figure FDA0002632053120000014
表示所述第二信息信号的第i个消息块，
Figure FDA0002632053120000015
表示正常信号的第i个消息块，
Figure FDA0002632053120000016
表示隐秘信号的第i个消息块，利用所述假设验证条件获得第一待检量和第二待检量，第一待检量满足τi|H0＝vi，第二待检量满足
Figure FDA0002632053120000017
vi表示
Figure FDA0002632053120000018
Figure FDA0002632053120000019
属于复数高斯分布，L表示第一信息信号被调制前的长度，M表示调制阶数，所述平均检测概率满足：
Figure FDA0002632053120000021
θ0表示所述最佳阈值，
Figure FDA0002632053120000022
表示所述第二信息信号的信道噪声的高斯分布方差，
Figure FDA0002632053120000023
表示所述第二信息信号的信道的高斯分布方差，sign(x)表示符号函数，其中，τi表示待检量，所述最佳阈值θ0满足
Figure FDA0002632053120000024
其中，εPFA表示所述设定虚警概率。
2.一种基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测系统，是包含发射装置和接收装置的无线通信系统的基于匹配滤波对物理层隐藏信息的检测系统，其特征在于，
包括：
所述发射装置，其用于将第一信息信号分块发送；以及
所述接收装置，其包括获取模块、处理模块和计算模块，所述获取模块用于接收第二信息信号，所述第二信息信号是所述第一信息信号经过信道传输和信道均衡得到的，所述处理模块用于对所述第二信息信号进行调解和解码获得没有隐藏信息的基础信号，并对所述基础信号进行重新编码和重新调制获得第三信息信号，所述计算模块用于将所述第二信息信号与所述第三信息信号基于假设验证条件进行匹配滤波获得待检量，基于设定虚警概率获得最佳阈值，基于所述最佳阈值和所述获得平均检测概率，并基于所述平均检测概率判断所述第二信息信号是否包括隐藏信息，所述接收装置设置第二设定阈值，所述平均检测概率大于或等于所述第二设定阈值，所述第二信息信号中包括隐藏信息，所述平均检测概率小于所述第二设定阈值，所述第二信息信号中不包括隐藏信息，
其中，所述接收装置基于隐藏信息的长度和正常信号的长度获得隐藏信息的嵌入率，进而获得修改率，所述修改率满足
Figure FDA0002632053120000025
rs表示修改率，LR表示隐藏信息的长度，LC表示正常信号的长度，
在所述计算模块中，所述假设验证条件包括第一条件和第二条件，第一条件H0满足H0：
Figure FDA0002632053120000031
第二条件H1满足H1：
Figure FDA0002632053120000032
Figure FDA0002632053120000033
表示所述第二信息信号的第i个消息块，
Figure FDA0002632053120000034
表示正常信号的第i个消息块，
Figure FDA0002632053120000035
表示隐秘信号的第i个消息块，利用所述假设验证条件获得第一待检量和第二待检量，第一待检量满足τi|H0＝vi，第二待检量满足
Figure FDA0002632053120000036
vi表示
Figure FDA0002632053120000037
Figure FDA0002632053120000038
属于复数高斯分布，L表示第一信息信号被调制前的长度，M表示调制阶数，所述平均检测概率满足：
Figure FDA0002632053120000039
θ0表示所述最佳阈值，
Figure FDA00026320531200000310
表示所述第二信息信号的信道噪声的高斯分布方差，
Figure FDA00026320531200000311
表示所述第二信息信号的信道的高斯分布方差，sign(x)表示符号函数，其中，τi表示待检量，所述最佳阈值θ0满足
Figure FDA00026320531200000312
其中，εPFA表示所述设定虚警概率。
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