CN110417436B - 一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法，涉及电通信技术领域。本发明将一维数据通过认证算法得到二维数据，一维数据通过串并转换和G函数得到跳频序列参数，二维数据映射得到当前跳信号的频差控制参数，跳频序列参数映射出载波频率再与频差控制参数生成当前跳信号频率，当前跳信号频率产生传输信号进行发射；接收信号后利用FFT得到信号瞬时频率参数；瞬时频率通过G^‑1函数解映射及并串转换得到一维数据，对瞬时频率进行频差控制参数判定，解调出二维数据，利用一维和二维数据进行认证解析，判定传输过程的真实性和完整性。本方法对于非合作方不易发觉利用相邻跳频率间变化携带的信息数据，具有较强的隐蔽性和反侦察性。

Description

一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法

技术领域

本发明涉及电通信技术领域，尤其涉及一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法。

背景技术

利用电磁波传输信息的无线通信系统具有跨地域和全天候的优点，但无线信号开放的传输环境也对通信过程的可靠性提出了挑战。为确保信号传输过程中的信息安全，各类隐蔽通信和消息认证技术被深入研究。传统意义上的隐蔽通信隶属于信息隐藏范畴，是将信息秘密地隐藏于公开的信息中，其形式可以是如图像、声音、视频或一般的文本文档等。通过与认证、密码技术相结合，为网络安全、信息隐匿等各种通信应用需求提供特殊级别的高安全性、高可靠性的传输。

扩频通信技术是一种抗干扰通信技术，具有截获率低、抗干扰性强的优点。其中，跳频是一种典型的扩频通信技术，通过将消息数据符号调制到频率随时间变化的载波上，以躲避非合作方的截获。利用跳频技术传输隐蔽通信数据，将会进一步提高通信过程的隐蔽性和抗干扰性。差分跳频技术是一类特殊的跳频技术，利用相邻跳频点间的变化规律传输消息数据符号。差分跳频通信技术只能在同一时刻传输一个数据符号，当需要传输消息认证数据时，消息数据符号和消息认证数据符号需按传输协议，随时间依次传输，这将降低传输数据率。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供的一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法，在携带消息认证数据同时传输后，生成信号载波频率仍呈现跳频信号频率随时间变化特性，故不易发现被传输的消息认证数据，增强了传输过程的隐蔽性。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：

本发明提供一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法，包括如下步骤：

步骤1：获取一维数据D₁＝{d_1,1,d_1,2,…,d_1,n×m}，其中d_1,n×m∈{0,1}；n为传输的符号个数，n∈N⁺,m为一个符号包含的比特数，m∈N⁺；所述一维数据为待传输的基带数据；

步骤2：根据G函数的扇出系数2^m对一维数据D₁进行串并转换，得到串并转换结果集合S＝{s₁,s₂,…,s_n}；根据G函数和串并转换结果集合S，得到跳频序列参数集合F₁＝{f_1,1,f_1,2,…,f_1,n}；

步骤2.1：根据G函数的扇出系数2^m对一维数据进行串并转换，得到串并转换结果集合S＝{s₁,s₂,…,s_n}；其公式为：

s_i＝[d_1,(i-1)×m+1,d_1,(i-1)×m+2,…,d_1,(i-1)×m+m]

其中i代表串并转换结果的元素序号，i∈[1,n]且i∈N⁺；

步骤2.2：根据G函数和串并转换结果集合S＝{s₁,s₂,…,s_n}，得到跳频序列参数集合F₁＝{f_1,1,f_1,2,…,f_1,n}；

当前第n跳信号跳频序列参数f_1,n的公式为：

f_1,n＝G(s_n,f_1,n-1)

其中，G(*)代表频率转移函数；f_1，n为初始跳信号跳频序列参数；

步骤3：根据步骤1中获得的一维数据通过认证关联方法得到二维数据D₂＝{d_2,1,d_2,2,…,d_2,n}，其中d_2,n∈{0,1}，n∈N⁺；根据传输的二维数据d_2,n映射出当前第n跳信号的频差控制参数f_2,n，f_2,n的映射表示为f_2,n＝d_2,n；得到频差控制参数集合F₂＝{f_2,1,f_2,2,…,f_2,n}；

所述认证关联方法的公式为：

D₂＝H(D₁)

其中H(*)代表认证关联算法；

步骤4：根据步骤2得到的当前第n跳信号跳频序列参数f_1,n映射得到当前第n跳信号载波频率f_n；然后根据当前第n跳信号的频差控制参数f_2,n得到频率偏差值f′_n；将频率偏差值与载波频率相加，生成当前第n跳的信号频率f_sn，表示为f_sn＝f_n+f′_n；得到信号频率集合F_s＝{f_s1,f_s2,…,f_sn}；最后根据F_s产生每跳面向二维消息认证数据传输信号进行发射；

所述求出载波频率f_n的公式为：

f_n＝ψ(f_1,n)

其中ψ(*)代表载波频率映射函数；

所述求出频率偏差值f′_n的公式为：

其中△f为频点偏移量；

步骤5：接收端的接收天线接收到步骤4发射的信号后利用快速傅立叶变换方法对信号进行时频分析，得到信号瞬时频率参数；根据瞬时频率通过G^-1函数解映射及并串转换得到一维数据，同时对瞬时频率采用STFT技术进行当前跳频差控制参数f_2,n判定，解调出二维数据，在利用得到的一维数据和二维数据进行认证解析，根据认证关联方法接收方对比一维数据和二维数据间是否满足关联，若满足关联则传输过程中数据没有被篡改，若不满足关联则传输过程中数据被篡改，将该数据丢弃，执行步骤2；

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法，面向二维消息认证数据传输的核心机理是以差分跳频技术为核心，利用待传输的基带数据根据认证算法得到消息认证数据，将待传输的基带数据和消息认证数据——二维数据，利用频率生成函数计算信号频率，并产生信号进行发射传输。在接收方接收信号并对信号频率进行检测分析，得到同时传输的基带数据和消息认证数据，并进行消息认证操作。本算法在基于差分跳频体制进行一维数据传输基础上，利用二维数据对信号频率进行频差控制，实现了一维和二维数据的同时传输，提高了传输数据率。产生的信号在时域和频域上仅呈现与常规跳频信号相同的频率随时间变化特性，对于非合作方不易发觉利用相邻跳频率间变化携带的信息数据，具有较强的隐蔽性和反侦察性。一维数据和二维数据间通过认证算法建立了关联，但在生成信号频率过程中，一维数据和二维数据对信号频率的控制相互独立，可灵活替换认证算法、G函数规则及频偏控制参数，具有较强的灵活性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的二维消息认证数据传输机理图；

图2为本发明实施例提供的二维消息认证数据传输的方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

二维消息认证数据传输过程如图1所示。一维数据为待传输的基带数据，待传输的基带数据通过认证算法处理得到二维数据。一维数据通过串并转换和G函数映射得到跳频序列参数，利用二维数据映射得到当前跳信号的频差控制参数，由跳频序列映射载波频率和频差控制参数生成当前跳信号频率，最后经射频处理产生面向二维消息认证数据传输信号进行发射。接收天线接收信号后通过射频处理，利用FFT对信号进行时频分析，得到信号瞬时频率参数。根据瞬时频率通过G-1函数解映射及并串转换得到一维数据，同时对瞬时频率进行频差控制参数判定，解调出二维数据，在利用得到的一维和二维数据进行认证解析，判定传输过程的真实性和完整性。

如图2所示，本实施例的方法如下所述。

本发明提供一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法，包括如下步骤：

步骤1：获取一维数据D₁＝{d_1,1,d_1,2,…,d_1,n×m}，其中d_1,n×m∈{0,1}，n为传输的符号个数，n∈N⁺，m为一个符号包含的比特数，m∈N⁺；所述一维数据为待传输的基带数据；

步骤2：根据G函数的扇出系数2^m对一维数据进行串并转换，得到串并转换结果集合S；根据G函数和串并转换结果集合S，得到跳频序列参数集合F₁；

步骤2.1：根据G函数的扇出系数2^m对一维数据进行串并转换，得到串并转换结果集合S＝{s₁,s₂,…,s_n}；其公式为：

s_i＝[d_1,(i-1)×m+1,d_1,(i-1)×m+2,…,d_1,(i-1)×m+m]

其中i代表串并转换结果的元素序号，i∈[1,n]且i∈N⁺；

步骤2.2：根据G函数和串并转换结果集合S＝{s₁,s₂,…,s_n}，得到跳频序列参数集合F₁＝{f_1,1,f_1,2,…,f_1,n}；

当前第n跳信号跳频序列参数f_1,n的公式为：

f_1,n＝G(s_n,f_1,n-1)

其中，G(*)代表频率转移函数；f_1，n为初始跳信号跳频序列参数，当n＝1时，则有f_1,1＝G(s₁,f_1,0)；

步骤3：根据步骤1中获得的一维数据通过认证关联方法得到二维数据D₂＝{d_2,1,d_2,2,…,d_2,n}，其中d_2,n∈{0,1}，n∈N⁺；根据传输的二维数据d_2,n映射出当前第n跳信号的频差控制参数f_2,n，f_2,n的映射表示为f_2,n＝d_2,n；得到频差控制参数集合F₂＝{f_2,1,f_2,2,…,f_2,n}；

所述认证关联方法的公式为：

D₂＝H(D₁)

其中H(*)代表认证关联算法；

步骤4：根据步骤2得到的当前第n跳信号跳频序列参数f_1,n映射得到当前第n跳信号载波频率f_n；然后根据当前第n跳信号的频差控制参数f_2,n得到频率偏差值f′_n；将频率偏差值与载波频率相加，生成当前第n跳的信号频率f_sn，表示为f_sn＝f_n+f′_n；得到信号频率集合F_s＝{f_s1,f_s2,…,f_sn}；最后根据F_s产生每跳面向二维消息认证数据传输信号进行发射；按照f_s1-f_sn的顺序，每计算出一个f_sn面向二维消息认证数据传输信号就发射一个信号；

所述求出载波频率f_n的公式为：

f_n＝ψ(f_1,n)

其中ψ(*)代表载波频率映射函数；

所述求出频率偏差值f′_n的公式为：

其中△f为频点偏移量；

步骤5：接收端的接收天线接收到步骤4发射的信号后利用快速傅立叶变换方法(FFT)对信号进行时频分析，得到信号瞬时频率参数。根据瞬时频率通过G-1函数解映射及并串转换得到一维数据，同时对瞬时频率采用STFT技术进行当前跳频差控制参数f_2,n判定，解调出二维数据，在利用得到的一维数据和二维数据进行认证解析，根据认证关联方法接收方对比一维数据和二维数据间是否满足关联，若满足关联则传输过程中数据没有被篡改，若不满足关联则传输过程中数据被篡改，将该数据丢弃，执行步骤2；

频差控制参数的判定过程为：

(1)根据本发明中信号频率产生机理，在每跳信号载波频率f_n基础上，附加频差控制值f′_n得到最终当前跳信号频率f_sn；

(2)接收机通过对信号进行STFT处理，得到当前跳信号频率f_sn，由于每跳跳频信号的载波频率值经特殊设定，其与检测出的当前跳信号频率f_sn仅能相差±△f，故可通过判断f_n±△f与f_sn是否相等，识别出f_n，同时识别出是+△f还是-△f。

(3)利用相邻跳信号的载波频率，依据G^-1函数规则即可检测出一维数据，f_1,n＝G(s_n,f_1,n-1)同时根据频率偏差值f′_n为+△f还是-△f，即可解调出频差控制参数f_2,n＝1还是f_2,n＝-1，从而根据映射关系得到二维数据。

故判定结果为f_2,n＝1还是f_2,n＝-1。

本实施例如下：

设n＝20，m＝2，G函数的扇出系数为4，跳频频率集频点数目16，△f＝0.1MHz，G函数表达式为：

跳频序列参数映射频率如表1所示：

表1跳频序列参数映射频率表

根据本发明提供的一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法，本实例中的一维数据D₁、串并转换结果S_n、跳频序列参数f_1,n、载波频率f_n、二维数据D₂、频差控制参数f_2,n、频率偏差值f′_n和信号频率f_sn结果如表2所示。其中，f_n、f′_n和f_sn的单位为MHz。

表2本实例中各参数结果

根据表中f_sn产生每跳面向二维消息认证数据传输信号进行发射。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。

Claims (1)

1.一种面向二维消息认证数据传输生成信号频率的方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：获取一维数据D₁＝{d_1,1,d_1,2,…,d_1,n×m}，其中d_1,n×m∈{0,1}；n为传输的符号个数，n∈N⁺,m为一个符号包含的比特数，m∈N⁺；所述一维数据为待传输的基带数据；

步骤2：根据G函数的扇出系数2^m对一维数据D₁进行串并转换，得到串并转换结果集合S＝{s₁,s₂,…,s_n}；根据G函数和串并转换结果集合S，得到跳频序列参数集合F₁＝{f_1,1,f_1,2,…,f_1,n}，具体步骤如下：

步骤2.1：根据G函数的扇出系数2^m对一维数据进行串并转换，得到串并转换结果集合S＝{s₁,s₂,…,s_n}；其公式为：

s_i＝[d_1,(i-1)×m+1,d_1,(i-1)×m+2,…,d_1,(i-1)×m+m]

其中i代表串并转换结果的元素序号，i∈[1,n]且i∈N⁺；

步骤2.2：根据G函数和串并转换结果集合S＝{s₁,s₂,…,s_n}，得到跳频序列参数集合F₁＝{f_1,1,f_1,2,…,f_1,n}；

当前第n跳信号跳频序列参数f_1,n的公式为：

f_1,n＝G(s_n,f_1,n-1)

其中，G(*)代表频率转移函数；f_1，n为初始跳信号跳频序列参数；

步骤3：根据步骤1中获得的一维数据通过认证关联方法得到二维数据D₂＝{d_2,1,d_2,2,…,d_2,n}，其中d_2,n∈{0,1}，n∈N⁺；根据传输的二维数据d_2,n映射出当前第n跳信号的频差控制参数f_2,n，f_2,n的映射表示为f_2,n＝d_2,n；

步骤4：根据步骤2得到的当前第n跳信号跳频序列参数f_1,n映射得到当前第n跳信号载波频率f_n；然后根据当前第n跳信号的频差控制参数f_2,n得到频率偏差值f′_n；将频率偏差值与载波频率相加，生成当前第n跳的信号频率f_sn，表示为f_sn＝f_n+f′_n；最后根据f_sn产生当前跳面向二维消息认证数据传输信号进行发射；

步骤5：接收天线接收到步骤4发射的信号后利用快速傅立叶变换方法对信号进行时频分析，得到信号瞬时频率参数；根据瞬时频率通过G^-1函数解映射及并串转换得到一维数据，同时对瞬时频率进行频差控制参数判定，解调出二维数据，再 利用得到的一维数据和二维数据进行认证解析。

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