CN110545124A - 一种基于蟋蟀叫声的伪装隐蔽通信结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于蟋蟀叫声的伪装隐蔽通信结构及方法；结构包括通信帧，通信帧是通信信号中携带信息的最小单元，其特征在于，一个通信帧中包括1个同步码(SC)和k个信息码(IC)，在一个通信帧中，将同步码作为帧头，后面跟随k个信息码，用各个脉冲之间的时间间隔τ₁,…,τ_K表示n bit数字量信息，对通信信息进行编码；编码原则为：当τ_k满足m·T_R＜τ_k＜(m+1)T_R，其中m为小于2ⁿ的正整数，T_R为最小单位时间，则τ_k表示的数字量信息为在数值上与m相等的n位二进制数；将两个没有时间间隔的短脉冲作为同步码，将单个短脉冲作为信息码，既能够区分同步码和信息码，又没有引入其他信号以保证通信的隐蔽性；另外两个通信帧之间的时间间隔τ_p不用于编码通信信息，时间间隔设为T_R。

Description

一种基于蟋蟀叫声的伪装隐蔽通信结构及方法

技术领域

本发明属于无线装通信领域，特别是在无线电通信被屏蔽的场景或需要以极高的隐蔽性进行通信的场景中的一种无线通信方法，是一种将通信信息编码到蟋蟀的叫声中，进行声波伪装隐蔽通信的结构与方法。

背景技术

声波伪装隐蔽通信技术是一种基于声信道的信息隐蔽传输技术，即采用声波作为载波进行数据传输，具有良好的隐蔽性。声波属于机械波与属于电磁波的无线电波具有不同的特性，相比于无线电通信的方式，声波通信具有设备简单，难以被屏蔽的特点。尤其是目前已有成熟的电磁波屏蔽干扰技术的情况下，声波通信就成了军事、情报等领域重要的通信手段。

目前声波隐蔽通信的主要方式有两类：1)利用在人耳能感知的声波频率范围(20Hz～20kHz)之外的超声波作为传输信息的载体，在不被人耳察觉的情况下进行通信^[1]。但是因为声波的衰减系数与其频率的平方成正比的特性，在现有的研究中空气中超声波通信的距离一般不超过15米，通信距离有限。2)在特殊环境下，例如在夜晚无人的保密实验室，通过事先装入的软件，以电脑的麦克风与扬声器作为通信设备，在两台没有网络连接的计算机之间进行数据的传输。显然这种通信方法的使用场景有极大的限制^[2]。更重要的是这些通信方式中使用的通信载波都是LFM,CW等人造信号，这种信号不是自然界中自然存在的，具有明显的特征，非常容易被声波探测装置检测到并判定为通信信号，大大降低了其隐蔽性。参考文献：

[1]Hanspach,M.et a.l,"On Covert Acoustical Mesh Networks in Air,"J.Commun.,vol.8,no.11,2014,pp.221-231.

[2]Carrara,Brent,and C.Adams."On Acoustic Covert Channels BetweenAir-Gapped Systems,"(2014).Carrara B.,Adams C.,“On Acoustic Covert ChannelsBetween Air-Gapped Systems.”FPS.2014.,vol.8930,2014,pp.3-16.

发明内容

本发明的目的是克服现有的声波隐蔽通信技术的通信距离有限，隐蔽性不足的缺点。提出了一种能够用于室外无线通信，具有更远的通信距离，更出色的隐蔽性的基于蟋蟀叫声的伪装隐蔽通信结构及方法。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种通信信号结构，包括通信帧，通信帧是通信信号中携带信息的最小单元，一个通信帧中包括1个同步码(SC)和k个信息码(IC)，在一个通信帧中，将同步码作为帧头，后面跟随k个信息码，用各个脉冲之间的时间间隔τ₁,…,τ_K表示n bit数字量信息，对通信信息进行编码；编码原则为：当τ_k满足m·T_R＜τ_k＜(m+1)T_R，其中m为小于2ⁿ的正整数，T_R为最小单位时间，则τ_k表示的数字量信息为在数值上与m相等的n位二进制数；将两个没有时间间隔的短脉冲作为同步码，将单个短脉冲作为信息码，既能够区分同步码和信息码，又没有引入其他信号以保证通信的隐蔽性；另外两个通信帧之间的时间间隔τ_p未编码通信信息，时间间隔设为T_R。

一种基于蟋蟀叫声的伪装隐蔽通信方法，基于上述的通信信号结构，包括编码和解码两部分；

编码部分具体包括以下步骤：

(101)根据选用的蟋蟀叫声的脉冲宽度，脉冲之间时间间隔的特征以及通信速率的需求，确定T_R,n,k的值；

(102)将通信信息按每组n bit分组，假设通信信息为“11011010……”，n＝2，则将通信信号分组为G1:“11”、G2:“01”、G3:“10”、G4:“10”……；

(103)计算各组信息对应的τ值，计算公式为τ＝(m+1/2)T_R，其中m为与各组信息的n位二进制数在数值上相等的十进制数；

(104)插入一个同步码作为帧头，经过G1中的信息对应的时间τ后，插入一个信息码，再经过G2中的信息对应的时间τ后插入下一个信息码；以此规则按顺序对通信信息进行编码，直到插入k个信息码后，完成一帧通信信号的编码；

(105)经过时间τ_p也即T_R后插入一个同步码作为新的一帧通信信号的帧头，再按步骤(104)的编码规则继续对通信信息进行编码，如此循环直到所有通信信息都完成编码，得到一个通信脉冲序列；

(106)筛选频率范围与蟋蟀叫声不同，并且生活环境与蟋蟀相同的其他动物的声音作为环境背景噪声；再将步骤(105)得到的通信脉冲序列与环境背景噪声叠加得到最终的通信信号；

完成编码后，通过发送装置发出通信信号，接收装置收到信号后开始解码，解码的具体步骤如下：

(107)对接收到的信号进行滤波处理，用谱减法滤除信号在传输过程中引入的环境噪声；

(108)用带通滤波器滤除通信信号中的伪装背景噪声；得到滤波后的通信脉冲序列；

(109)计算通信脉冲序列的短时能量谱(STES)E(n)，计算公式为：

式中x(m)为通信脉冲序列，N为帧长，T为帧移；

(110)通过通信脉冲的能量强度特征筛选出通信脉冲序列中的通信脉冲；设置一个能量阈值(ET)，当信号的短时能量高于ET时，认为这部分信号为通信脉冲；

(111)通过同步码和信息码在脉冲宽度上的差异，在步骤(110)筛选出来的通信脉冲中区分同步码和信息码的通信脉冲；

(112)在找到同步码和信息码的位置后，依次计算每帧信号中的各个时间间隔τ₁,…,τ_K，并根据编码规则进行解码，得到这每帧中的通信信息，最终得到完整的通信信息。

与现有技术相比，本发明的技术方案所带来的有益效果是：

1.本发明利用蟋蟀的叫声作为通信载波，根据蟋蟀叫声的特点设计了一种新型的通信信号结构，将通信信息隐藏在蟋蟀叫声中，实现一种伪装隐蔽通信。并且将其他动物的叫声作为伪装背景噪声与通信脉冲串叠加，具有极强的通信隐蔽性，即使在被监控范围内也难以被察觉，更难以被破译。

2.目前还没有成熟的声波干扰技术，因此用声波作为通信载波难以被干扰或屏蔽。

3.使用的声音频率与超声波相比较低，在空气中的衰减较小，因此这种通信方式的有效通信距离优于超声波通信。

附图说明

图1a为本发明实施例中选用的蟋蟀叫声时频图，图1b为蟋蟀叫声波形图及单个叫声脉冲波形图。

图2为本发明中通信帧的组成示意图。

图3为通信脉冲序列、伪装背景噪声及叠加过后信号的时频图。

图4为解码过程中的时间间隔及解码结果示意图。

附图标记：1-通信帧，2-脉冲间的时间间隔，3-同步码，4-信息码，5-通信帧之间的时间间隔，6-编码后的通信脉冲序列的时频图，7-伪装背景噪声的时频图，8-将通信脉冲序列与伪装背景噪声叠加后得到的通信信号的时频图，9-滤波后的通信脉冲序列，10-通信脉冲序列的短时能量谱，11-能量阈值

具体实施方式

本发明克服现有技术的前述不足，主要解决的技术问题是：(1)克服现有隐蔽通信技术中使用超声波作为通信载波，载波信号频率较高，传输距离有限，且需要使用特制的高频率带宽喇叭和高频率带宽麦克风，系统硬件的设计难度和设计成本高的缺点。(2)克服现有隐蔽通信中使用人造信号作为通信载波，易被声波探测装置察觉，暴露通信意图，隐蔽性不足的缺点。本发明提出了一种利用蟋蟀的叫声作为通信载波，通过特定的编码方式，将通信信息编码到蟋蟀叫声中，并且将其他动物叫声作为伪装隐蔽噪声与其叠加，使其具有极强的隐蔽性的伪装隐蔽通信方法。

本发明中使用的蟋蟀叫声的时频图和波形图如图1a和图1b所示，它由多个短脉冲组成，其主要频率范围为4kHz-6kHz，脉冲宽度一般为12ms-14ms，且两个连续的叫声脉冲之间的时间间隔不同，一般为2ms-7ms，可以利用基于短时能量的端点检测方式提取出其中的单个叫声脉冲如图1b所示。为了保证通信的隐蔽性，在编码过程中要尽量保留原始叫声信号的特点。目前常用的编码方式有调频、调幅、调相等，这几种编码方式都会破坏载波信号的原始特征，因此不适合用于伪装隐蔽通信。为了保证更好的通信隐蔽性，本发明根据蟋蟀叫声的特征，提出了一种利用两个脉冲之间的时间间隔(time interval,TI)编码通信信息的编码方式。

通信帧1是通信信号中携带信息的最小单元，因此本发明从通信帧出发设计了一种新型的通信信号结构。一个通信帧中包括1个同步码(synchronous code,SC)和k个信息码(information code,IC)，通信信号的结构示意图如图2所示，在一个通信帧中，将同步码作为帧头，后面跟随k个信息码，用各个脉冲之间的时间间隔2:τ₁,…,τ_K表示n bit数字量信息，对通信信息进行编码。编码的基本原则为：当τ_k满足m·T_R＜τ_k＜(m+1)T_R，其中m为小于2ⁿ的正整数，T_R为最小单位时间，则τ_k表示的数字量信息为在数值上与m相等的n位二进制数。例如假设n＝4，当3T_R＜τ_k＜4T_R时，τ_k表示的数字量信息为“0011”；当6T_R＜τ_k＜7T_R时，τ_k表示的数字量信息为“0110”，当15T_R＜τ_k＜16T_R时，τ_k表示的数字量信息为“1111”。本发明将两个没有时间间隔的短脉冲作为同步码3，将单个短脉冲作为信息码4，这样既能够区分同步码和信息码，有没有引入其他信号能够保证通信的隐蔽性。另外两个通信帧之间的时间间隔5:τ_p不用于编码通信信息，其时间间隔一般设为T_R。

编码部分的具体实现步骤为：

首先，根据选用的蟋蟀叫声的脉冲宽度，脉冲之间时间间隔的特征以及通信速率的需求，确定T_R,n,k的值。

进一步，将通信信息按每组n bit分组。例如，假设通信信息为“11011010……”，n＝2，则将通信信号分组为G1:“11”、G2:“01”、G3:“10”、G4:“10”……。

进一步，计算各组信息对应的τ值，计算公式为τ＝(m+1/2)T_R，其中m为与各组信息的n位二进制数在数值上相等的十进制数。例如对应上一步各组信息的m分别为：m1＝3、m2＝1、m3＝1、m4＝2、……。

进一步，插入一个同步码作为帧头，经过G1中的信息对应的时间τ后，插入一个信息码，再经过G2中的信息对应的时间τ后插入下一个信息码。以此规则按顺序对通信信息进行编码，直到插入k个信息码后，完成一帧通信信号的编码。

进一步，经过时间τ_p(这里为T_R)后插入一个同步码作为新的一帧通信信号的帧头，再按上一步的编码规则继续对通信信息进行编码，如此循环直到所有通信信息都完成编码，得到编码后的通信脉冲序列的时频图6如图3所示。

进一步，筛选一些频率范围与蟋蟀叫声不同，并且生活环境与蟋蟀相同的其他动物的声音作为伪装背景噪声，伪装背景噪声的时频图7如图3所示。再将通信脉冲序列与伪装背景噪声叠加后得到的通信信号的时频图8如图3所示。

完成编码后，通过发送装置发出通信信号，接收装置收到信号后开始解码，解码的具体实现步骤为：

首先，对接收到的信号进行滤波处理，用谱减法滤除信号在传输过程中引入的环境噪声。

进一步，用带通滤波器滤除通信信号中的伪装背景噪声，本实施例中选用的蟋蟀叫声的频率范围为4kHz-6kHz，且伪装背景噪声的频率都不在这一范围内，因此通过一个通带为3.5kHz-6.5kHz的带通滤波器可以滤掉所有伪装背景噪声，得到滤波后的通信脉冲序列9。

进一步，计算通信脉冲序列的短时能量谱10(Short-time energy spectrum,STES)E(n)，计算公式为：

式中x(m)为通信脉冲序列，N为帧长，T为帧移。

进一步，通过通信脉冲的能量强度特征筛选出通信脉冲序列中的通信脉冲。如图4所示，设置一个能量阈值11(energy threshold,ET)，当信号的短时能量高于ET时，认为这部分信号为通信脉冲。

进一步，通过同步码和信息码在脉冲宽度上的差异，在上一步筛选出来的通信脉冲中区分这两种通信脉冲。因为同步码是由两个蟋蟀的叫声脉冲组成，而信息码为单个蟋蟀叫声脉冲，所以同步码的脉冲宽度是信息码的脉冲宽度的二倍。根据这一特征，判断脉冲宽度大于15ms的为同步码3，否则为信息码4。

进一步，以某一帧为例，在前两步找到同步码和信息码的位置后，依次计算一帧信号中的各个时间间隔τ₁,…,τ_K，并根据编码规则进行解码，得到这一帧中的通信信息，例如，图三所示的解码结果为“00001001”。再依次对各帧信号进行解码，最终得到完整的通信信息。

本发明并不限于上文描述的实施方式。以上对具体实施方式的描述旨在描述和说明本发明的技术方案，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的。在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，本领域的普通技术人员在本发明的启示下还可做出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种通信信号结构，包括通信帧，通信帧是通信信号中携带信息的最小单元，其特征在于，一个通信帧中包括1个同步码(SC)和k个信息码(IC)，在一个通信帧中，将同步码作为帧头，后面跟随k个信息码，用各个脉冲之间的时间间隔τ₁,…,τ_K表示n bit数字量信息，对通信信息进行编码；编码原则为：当τ_k满足m·T_R＜τ_k＜(m+1)T_R，其中m为小于2ⁿ的正整数，T_R为最小单位时间，则τ_k表示的数字量信息为在数值上与m相等的n位二进制数；将两个没有时间间隔的短脉冲作为同步码，将单个短脉冲作为信息码，既能够区分同步码和信息码，又没有引入其他信号以保证通信的隐蔽性；另外两个通信帧之间的时间间隔τ_p未编码通信信息，时间间隔设为T_R。

2.一种基于蟋蟀叫声的伪装隐蔽通信方法，基于权利要求1所述通信信号结构，其特征在于，包括编码和解码两部分；

编码部分具体包括以下步骤：

(101)根据选用的蟋蟀叫声的脉冲宽度，脉冲之间时间间隔的特征以及通信速率的需求，确定T_R,n,k的值；

(102)将通信信息按每组n bit分组，假设通信信息为“11011010……”，n＝2，则将通信信号分组为G1:“11”、G2:“01”、G3:“10”、G4:“10”……；

(103)计算各组信息对应的τ值，计算公式为τ＝(m+1/2)T_R，其中m为与各组信息的n位二进制数在数值上相等的十进制数；

(104)插入一个同步码作为帧头，经过G1中的信息对应的时间τ后，插入一个信息码，再经过G2中的信息对应的时间τ后插入下一个信息码；再G3,G4……，以此规则按顺序对通信信息进行编码，直到插入k个信息码后，完成一帧通信信号的编码；

(105)经过时间τ_p也即T_R后插入一个同步码作为新的一帧通信信号的帧头，再按步骤(104)的编码规则继续对通信信息进行编码，如此循环直到所有通信信息都完成编码，得到一个通信脉冲序列；

(106)筛选频率范围与蟋蟀叫声不同，并且生活环境与蟋蟀相同的其他动物的声音作为环境背景噪声；再将步骤(105)得到的通信脉冲序列与环境背景噪声叠加得到最终的通信信号；

完成编码后，通过发送装置发出通信信号，接收装置收到信号后开始解码，解码的具体步骤如下：

(107)对接收到的信号进行滤波处理，用谱减法滤除信号在传输过程中引入的环境噪声；

(108)用带通滤波器滤除通信信号中的伪装背景噪声；得到滤波后的通信脉冲序列；

(109)计算通信脉冲序列的短时能量谱(STES)E(n)，计算公式为：

式中x(m)为通信脉冲序列，N为帧长，T为帧移；

(110)通过通信脉冲的能量强度特征筛选出通信脉冲序列中的通信脉冲；设置一个能量阈值(ET)，当信号的短时能量高于ET时，认为这部分信号为通信脉冲；

(111)通过同步码和信息码在脉冲宽度上的差异，在步骤(110)筛选出来的通信脉冲中区分同步码和信息码的通信脉冲；

(112)在找到同步码和信息码的位置后，依次计算每帧信号中的各个时间间隔τ₁,…,τ_K，并根据编码规则进行解码，得到这每帧中的通信信息，最终得到完整的通信信息。