CN111064527B

CN111064527B - 一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法

Info

Publication number: CN111064527B
Application number: CN201911350293.5A
Authority: CN
Inventors: 蒋佳佳; 徐俊宇; 段发阶; 傅骁; 王宪全; 李春月; 孙中波
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-12-24
Filing date: 2019-12-24
Publication date: 2021-08-27
Anticipated expiration: 2039-12-24
Also published as: CN111064527A

Abstract

本发明公开一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法，应用于通信系统，包括以下步骤：(1)收集暗绿绣眼鸟的叫声并提取其中的叫声脉冲组成脉冲库；(2)确定信息码、地址码和密码表；(3)收到通信指令与通信信息后，先插入通信接收方的地址码，再插入通信发送方的地址码；(4)根据密码表按顺序确定每一字节通信信息都对应的信息码，并按序插入信息码；(5)将最终编码完成的通信信息通过扬声器向外传播；(6)接收方接收通信信息后提取其中的通信帧及通信脉冲，并逐一对通信脉冲进行解码；(7)通过被测脉冲的时频特性确定其分组；(8)通过相关性函数确定被测脉冲的序号；(9)查看密码表确定各脉冲对应的通信信息。

Description

一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法

技术领域

本发明属于无线组网通信领域，特别是在一些对通信隐蔽性要求极高的场景的一种无线组网通信方法，是一种以暗绿绣眼鸟的叫声作为通信载波，将通信信息隐藏到其中，进行伪装隐蔽无线组网通信的方法。

背景技术

在工业生产、日常生活以及军事等各个领域中，无线通信都起到了举足轻重的作用，尤其是在一个系统中的不同成员或设备之间的组网通信更是必不可少的。目前常用的无线通信方式一般都以电磁波作为通信载波的无线电通信，但是这种无线通信方式存在一些难以克服的缺点，例如：(1)目前已有成熟的电磁波干扰与监听技术，因此无线电通信极易受到干扰也极易被他人监听。(2)目前的无线电通信的通信载波一般是人造信号，这些信号具有明显的人造特征，因此极易被他人探测发觉，隐蔽性不足。

在一些特殊的场景下，例如军事作战、情报刺探等，有一些简短的指令与情报需要向同伴传达，若无线电通信受到敌方干扰或监听，导致同伴之间的信息传递被阻断，则会造成严重的后果。在这样的现状下，越来越多的研究机构开始致力于声波通信的研究。其中，在声波隐蔽通信这一方向的研究主要可以分为两类：(1)利用在人耳能感知的声波频率范围(20Hz～20kHz)之外的超声波作为通信载波，在不被人耳察觉的情况下进行通信。(2)在周围无人的环境下，通过事先装入的软件病毒在两台涉密的计算机之间进行无线声波通信。这两类声波隐蔽通信方法虽然能够实现隐蔽通信，但仍存在一些不足：(1)使用超声波作为通信载波，传输距离有限；(2)通信载波的类型一般都是LFM,CW等具有明显特征的人造信号，非常容易被声波探测装置检测到并判定为通信信息，大大降低了其隐蔽性。(3)目前声波隐蔽通信技术都是点对点通信，无法实现系统中的多个成员或设备之间的通信。

发明内容

本发明的目的是克服无线电通信易被干扰且隐蔽性不足的缺点，以及现有的声波通信技术隐蔽性不足的缺点。提出了一种新型的声波隐蔽通信方法，这种方法利用暗绿绣眼鸟的叫声这种自然界中存在的声音作为通信载波，将通信信息隐藏到其中进行无线组网通信。

本发明克服了现有技术的前述不足，主要解决的技术问题是：(1)通过使用声波作为通信载波，克服无线电通信易被干扰与监听的缺点。(2)通过使用暗绿绣眼鸟的叫声作为通信载波，用不同的叫声脉冲代表不同通信信息的方式，克服现有声波隐蔽通信技术中使用人造信号作为通信载波，易被声波探测装置察觉，隐蔽性不足的缺点。(3)通过将部分叫声脉冲作为地址码，并设计了一种新颖的通信帧结构的方式，克服现有的隐蔽通信技术只能实现点对点通信的问题，实现了基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信。(4)设计了一种基于脉冲宽度、脉冲频率跨度和脉冲中心频率的脉冲分组方式，用于提高解码效率。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法，应用于通信系统，包括以下步骤：

(1)收集暗绿绣眼鸟的真实叫声，利用短时能量区分真实叫声信号中的叫声脉冲段和无声段，进而提取其中的叫声脉冲；

(2)从叫声脉冲中筛选出自相关函数存在明显的尖峰而互相关函数整体平坦没有明显的尖峰的叫声脉冲，将这类叫声脉冲称为自相关性好互相关性差的脉冲，并将该类叫声脉冲组成脉冲库；

(3)将脉冲库中的每个叫声脉冲确定为信息码，并设计密码表，将8bit通信信息与每个叫声脉冲一一对应，实现用信息码编码8bit(即1字节)通信信息，即每个信息码都能对应一个8bit通信信息；

(4)将脉冲库中的若干个叫声脉冲确定为地址码，地址码数量与通信系统中的通信成员或设备数量相同，为每一个通信成员或设备分配一个独有的地址码；同时将脉冲库中剩余的叫声脉冲都当做无效地址码；

(5)通信系统中某一通信成员或设备接收到通信指令与通信信息后，先插入通信接收方的地址码，再插入通信发送方的地址码；为更逼真地模仿暗绿绣眼鸟的真实叫声，通信接收方的地址码与通信发送方的地址码之间的时间间隔在10ms～130ms之间随机分布；

(6)根据密码表按顺序确定每一字节通信信息都对应的信息码，并按序插入信息码得到通信脉冲序列，信息码之间的时间间隔也在10ms～130ms之间随机分布；

(7)将最终编码完成的通信脉冲序列通过扬声器向外传播；

(8)通信系统中所有的通信成员或设备都时刻接收外界的声音信号，并实时计算自己的地址码与接收到的声音信号的互相关函数值；当互相关函数值出现一个尖锐的峰值时，说明当前的通信信息中包含自己的地址码，则表明当前的通信帧的接收方是自己；

(9)对当前通信帧的通信信息进行解码；检测到自己的地址码后，通过短时能量区分通信帧中的脉冲段和无声段，进而提取当前通信帧中的所有叫声脉冲；

(10)对提取出来的所有叫声脉冲进行脉冲匹配，完成解码过程；

(11)计算被测叫声脉冲与其所在分组中所有叫声脉冲的互相关函数值；与被测叫声脉冲的互相关函数峰值最高的叫声脉冲与被叫声测脉冲为同一脉冲，即可完成叫声脉冲匹配，进而查看密码表依次对通信帧中的叫声脉冲进行解码。

优选地，步骤(2)中具体包括：计算上一步提取的叫声脉冲之间的互相关函数峰值，筛选出其中自相关性好互相关性差(互相关函数峰值低于自相关函数峰值的三分之一)的叫声脉冲，组成一个通信脉冲库；经过实际验证从30分钟时长的暗绿绣眼鸟真实叫声中筛选出超过400个自相关性好互相关性差的叫声脉冲。

优选地，步骤(3)中具体包括：将脉冲库中的256个叫声脉冲确定为信息码，并为它们设计密码表，将8bit通信信息共256种(‘00000000’～‘11111111’)与这256个叫声脉冲一一对应。

优选地，步骤(6)中：若一次通信信息过多，则将其分为多帧进行通信；为了更逼真地模仿暗绿绣眼鸟的真实叫声，每一帧的信息码数量在10～30之间随机分布。

优选地，步骤(10)中：为了减少解码过程中的计算量，首先计算被测叫声脉冲的脉冲宽度、频率跨度及中心频率，根据上述特征确定提取出来的所有叫声脉冲所在的分组。

本发明提供另一种技术方案如下：

一种通信脉冲序列结构，将收集到的声音分为若干段，将每一段声音作为一个通信帧；每个通信帧中包括接收方地址码、发送方地址码和信息码，在每个通信帧中，将接收方地址码作为帧头，后面依次跟随发送方地址码以及若干个信息码。

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.本发明利用暗绿绣眼鸟的叫声作为通信载波，根据其叫声的特点设计了一种新的通信信息结构，将通信信息隐藏在暗绿绣眼鸟的叫声中进行伪装隐蔽通信，并且通过在通信帧中加入地址码的方式，进一步实现了组网通信。将伪装隐蔽通信与组网通信相结合，实现了一个系统中不同成员之间的隐蔽通信。

2.本发明方法可实现极强的通信隐蔽性。使用暗绿绣眼鸟的叫声这种自然界中广泛存在的声音作为通信载波，即使在被监控范围内进行通信也难以被他人察觉，更难以被破译。

3.有效通信距离优于超声波通信。使用的通信载波为暗绿绣眼鸟的叫声，属于可听声波，其声音频率与超声波相比较低，在传播过程中受到的衰减较小，因此这种通信方式的有效通信距离优于超声波通信。

4.设计了一种基于脉冲时频特性的脉冲分组方法，解码过程中首先通过脉冲的持续时间、频率等特征确定被检脉冲的分组，可以缩小被检脉冲在脉冲库中的分布范围，再进行相关性匹配可以大大减少脉冲匹配过程中的计算量，增加解码效率。

附图说明

图1a为本发明实施例中选用的暗绿绣眼鸟真实叫声时频图；

图1b为图1a中A段叫声脉冲序列的时频图。

图2示出本发明中通信帧的组成结构示意图。

图3示出本发明中提出的基于脉冲时频特征的脉冲分组方法示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本实施例中使用的暗绿绣眼鸟叫声的时频图如图1a所示，它由多段叫声脉冲序列1组成，每段叫声脉冲序列1之间的时间间隔为1～3s，且每一段叫声脉冲序列由多个长短不一的叫声脉冲2组成，其中一段叫声脉冲序列的时频图如图1b所示。通过对暗绿绣眼鸟的叫声脉冲进行统计分析发现其叫声脉冲的频率范围为2kHz～9kHz，叫声脉冲的脉冲宽度分布在20ms～300ms，且叫声脉冲个体间差异较大，无变化规律，脉冲之间的时间间隔在10ms～130ms之间随机分布，每一段叫声中包含的叫声脉冲数量在10～30之间随机分布。进一步计算叫声脉冲的自相关函数峰值和叫声脉冲之间的互相关函数峰值，可以发现在暗绿绣眼鸟的叫声脉冲中可以找到很多自相关函数峰值很高，与其他脉冲的互相关函数峰值低于其自相关函数峰值的三分之一的脉冲，称这样的脉冲为自相关性好互相关性差的脉冲。对于由自相关性好互相关性差的脉冲组成的脉冲库，可以通过计算被测脉冲与脉冲库中的脉冲的互相关函数值的方式，判断该脉冲为脉冲库中的哪一种脉冲，实现脉冲配对。因为脉冲库中的所有脉冲都有自相关函数峰值较高，互相关函数峰值较低的特征，所以可以认为与被测脉冲的相关函数峰值最高的脉冲与被测脉冲为同一脉冲，基于此即可实现脉冲配对。

为了保证通信的隐蔽性，要保证在编码的过程中不能加入人造信号，要使最终的编码信号尽量与暗绿绣眼鸟的叫声脉冲相似。本发明提出了一种用未经任何处理的暗绿绣眼鸟不同的叫声脉冲表示不同的通信信息，并在通信帧中加入地址码的方式实现了伪装隐蔽无线组网通信。首先基于短时能量区分暗绿绣眼鸟叫声中的脉冲段3和无声段4，进而提取其中的叫声脉冲，将这些未经任何处理的叫声脉冲作为通信脉冲。同时为了使通信信息与真实的暗绿绣眼鸟叫声更相近，本发明通过插入无效地址码的方式，在没有通信需求时仍模仿真实的暗绿绣眼鸟叫声向外发送声波，进一步还原自然环境中真实的声音。

本发明从通信帧出发设计了一种新颖的通信信息结构。暗绿绣眼鸟真实的叫声中包含多段声音，本发明中将每一段声音作为一个通信帧。一个通信帧中包括接收方地址码5、发送方地址码6和信息码7，通信信息的结构示意图如图2所示。在一个通信帧中，将接收方地址码5作为帧头，后面跟随发送方地址码6以及若干个信息码7。由于暗绿绣眼鸟真实的叫声中每一段叫声包含的叫声脉冲数分布在10～30，且没有明显规律，所以每一帧信号中的信息码数量可以根据需要发送的信息长度在这一范围内灵活选择。其中所用的地址码和信息码都为未经过任何处理的暗绿绣眼鸟的叫声脉冲。

在通信接收端不断接收通信脉冲序列，同时不断计算各自的地址码与接收到的通信脉冲序列的互相关函数值，当互相关函数值出现一个尖锐的峰值时，表明当前的通信帧的接收方是自己，则对该帧通信信息进行解码，否则忽略该帧信息。

解码过程实际是一个脉冲匹配过程，需要判断通信帧中的脉冲是脉冲库中的哪一种脉冲，再查看密码表即可解码其中的通信信息。首先基于短时能量区分通信帧中的脉冲段和无声段，进而提取其中的通信脉冲，再逐一对提取出的脉冲进行匹配。匹配过程中若将被测脉冲与脉冲库中所有脉冲求互相关函数值，则会大大增加计算量。因此本发明还提出了一种基于脉冲宽度、脉冲频率跨度和脉冲中心频率的脉冲分组方式，将脉冲库中脉冲分为多个小组，解码过程中先通过脉冲的脉冲宽度、脉冲频率跨度和脉冲中心频率特征确定其分组，再求该脉冲与该组中的其他脉冲的互相关函数值，进行脉冲匹配。这样可以大大降低解码过程中的计算量。

该分组方法首先通过各个脉冲的时频特征函数求出各个脉冲的脉冲宽度8、脉冲频率跨度9和脉冲中心频率10，如图3所示；再按这三种特征的差异对所有脉冲进行分组。如图3所示：将所有脉冲按脉冲宽度分为4组(20ms～90ms、110ms～140ms、160ms～190ms、210ms～300ms)，再按频率跨度对以上4组进行划分，将各组再分为2组(频率跨度大于3kHz、频率跨度小于3kHz)，最后再按中心频率对以上8组进行划分，将各组再分为2组(中心频率大于4kHz、中心频率小于4kHz)。这样将所有脉冲分为共16组，每一组中脉冲的脉冲宽度、脉冲频率跨度和脉冲中心频率都与其他组不同，且有足够的检测裕度。

本发明提出的具体实现步骤为：

首先，收集暗绿绣眼鸟的真实叫声，并从中提取叫声脉冲。利用短时能量区分声音信号中的叫声脉冲段和无声段，进而提取其中的叫声脉冲。

进一步的，从提取出来的脉冲中筛选出自相关性好互相关性差的脉冲。计算上一步提取的脉冲之间的互相关函数，筛选出其中自相关性好互相关性差(互相关函数峰值低于自相关函数峰值的三分之一)的叫声脉冲，组成一个通信脉冲库。经过实际验证从30分钟时长的暗绿绣眼鸟真实叫声中可以筛选出超过400个自相关性好互相关性差的脉冲。

进一步的，将脉冲库中的256个叫声脉冲确定为信息码，并为它们设计密码表，将8bit通信信息共256种(‘00000000’～‘11111111’)与这256个脉冲一一对应，实现用信息码编码8bit(即1字节)通信信息，即每个信息码都能对应8bit通信信息。

进一步的，将脉冲库中的若干个脉冲确定为地址码，地址码数量与通信系统中的成员或设备数量相同，为每一个通信成员或设备分配一个独有的地址码。同时将脉冲库中剩余的脉冲都当做无效地址码。

进一步的，通信系统中某一成员或设备接收到通信指令与通信信息后，先插入通信接收方的地址码，再插入通信发送方的地址码。为了更逼真地模仿暗绿绣眼鸟的真实叫声，这两个地址码之间的时间间隔在10ms～130ms之间随机分布。

进一步的，根据密码表按顺序确定每一字节通信信息都对应的信息码，并按序插入信息码得到通信脉冲序列，信息码之间的时间间隔也在10ms～130ms之间随机分布。若一次通信信息过多，则将其分为多帧进行通信。为了更逼真地模仿暗绿绣眼鸟的真实叫声，每一帧的信息码数量在10～30之间随机分布。

进一步的，将最终编码完成的通信脉冲序列通过扬声器向外传播。

进一步的，通信系统中所有的成员或设备都时刻接收外界的声音信号，并实时计算自己的地址码与接收到的声音信号的互相关函数值。当互相关函数值出现一个尖锐的峰值时，说明当前的通信信息中包含自己的地址码，则表明当前的通信帧的接收方是自己。

进一步的，对该帧通信信息进行解码。检测到自己的地址码后，通过短时能量区分通信帧中的脉冲段和无声段，进而提取该帧中的所有脉冲。

进一步的，对提取出来的所有脉冲进行脉冲匹配，完成解码过程。为了减少解码过程中的计算量，首先计算被测脉冲的脉冲宽度、频率跨度及中心频率，根据这些特征确定其所在的分组。

进一步的，计算被测脉冲与其所在分组中所有脉冲的互相关函数值。与被测脉冲的互相关函数峰值最高的脉冲与被测脉冲为同一脉冲，这样即可完成脉冲匹配，进而查看密码表依次对通信帧中的脉冲进行解码。

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

1.一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法，应用于通信系统，其特征在于，包括以下步骤：

(3)将脉冲库中的每个叫声脉冲确定为信息码，并设计密码表，将8bit通信信息与每个叫声脉冲一一对应，实现用信息码编码8bit通信信息，即每个信息码都能对应一个8bit通信信息；所述8bit表示1个字节；

(7)将最终编码完成的通信脉冲序列通过扬声器向外传播；

2.根据权利要求1所述一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法，其特征在于，步骤(2)中具体包括：计算上一步提取的叫声脉冲之间的互相关函数峰值，筛选出其中自相关性好互相关性差的叫声脉冲，组成一个通信脉冲库；经过实际验证从30分钟时长的暗绿绣眼鸟真实叫声中筛选出超过400个自相关性好互相关性差的叫声脉冲；所述自相关性好互相关性差是指互相关函数峰值低于自相关函数峰值的三分之一。

3.根据权利要求1所述一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法，其特征在于，步骤(3)中具体包括：将脉冲库中的256个叫声脉冲确定为信息码，并为它们设计密码表，将8bit通信信息共256种与这256个叫声脉冲一一对应，共256种8bit通信信息为‘00000000’～‘11111111’。

4.根据权利要求1所述一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法，其特征在于，步骤(6)中：若一次通信信息过多，则将其分为多帧进行通信；为了更逼真地模仿暗绿绣眼鸟的真实叫声，每一帧的信息码数量在10～30之间随机分布。

5.根据权利要求1所述一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法，其特征在于，步骤(10)中：为了减少解码过程中的计算量，首先计算被测叫声脉冲的脉冲宽度、频率跨度及中心频率，根据上述特征确定提取出来的所有叫声脉冲所在的分组。

6.根据权利要求1所述一种基于暗绿绣眼鸟叫声的伪装隐蔽无线组网通信方法，其特征在于，每个所述通信帧中包括接收方地址码、发送方地址码和信息码，在每个通信帧中，将接收方地址码作为帧头，后面依次跟随发送方地址码以及若干个信息码。