WO2009080844A1 - Metodo y aparato para transmision y deteccion de marcas de agua digitales en sistemas de comunicaciones ofdm - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to the method and signaling apparatus in OFDM systems (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) by inserting the signaling message (M) (see figure 1) in frequency together with the transmitted data (I). Said information remains hidden for the receivers, since the power with which the signaling is inserted is several orders of magnitude below the transmitted data.
- This technique is commonly used to insert a message inside a digital object, such as images, audio, video or text, without degrading it and is known as a watermark (or watermarking).
- the energy of the signaling bits is distributed spectrally using Complementary Sequences (similar to how it is done in time in spread spectrum) and it is repeated temporarily in all transmitted OFDM symbols. In such a way, that the detection is based on correlations in the frequency domain and averaging results of consecutive OFDM symbols.
- a system with a similar approach but oriented to the mark of photographs is [Ehrmann Patin et al., "Method and Device for Sending and Receiving Watermark for Decoding" US Patent No.: 7,013,023]. In this case, the information is protected by the use of Turbo Codes and not of Complementary Sequence Sets (CSC) in the frequency domain as in this patent.
- CSC Complementary Sequence Sets
- the CSCs are usually used in the frequency domain (OFDM) to modulate the information transmitted and reduce the ratio of peak power to average power (PAPR).
- OFDM frequency domain
- PAPR peak power to average power
- the watermark is used mainly to differentiate the origin (transmitter) of the received data.
- this is typically done through preambles as in [Ryan, "Synchronization Preamble Method for OFDM Waveforms in a Communication System", US Patent No .: 6,643,281].
- Orthogonal codes such as those presented here have been previously proposed for data transmission with M-ary Orthogonal Keying (MOK) as [van Nee, "Digital Modulation System Using Modified Orthogonal Codes to Reduce Autocorrelation” US Patent No .: 6,404,732] or for spread spectrum transmission as in [Gilhousen, “System and Method for Orthogoanl Spread Spectrum Sequence Generation in Variable Data Rate Systems", Us Patent No .: 5,751,761].
- K 2
- Golay sequences [MARCEL JE Golay "Complement / Series”. IRE Transactions on Information Theory, April 1961, pp. 82-87.]
- K> 2 [CC. Tseng, C. L Uu, "Complementary Sets of Sequences", IEEE Trans. Inform. Theory, VoI. IT-18, No 5, pp. 644-651, Sept. 1972.].
- r ⁇ is the aperiodic autocorrelation of x.
- the innovative method described here is based on inserting in the frequency domain a watermark based on orthogonal CSCs in order to detect the transmitter or transmitters of the received signal, as well as the power level with which it is received.
- the sequences are mapped to a constellation with B bits per symbol, resulting in KN / B symbols.
- the resulting symbols are adjusted to the number of available OFDM carriers (C) and attenuated (see figure 4) at a level higher than the ground of quantization noise, but lower than the noise of the receiver in the best case, so as not to degrade the received signal .
- the result is added to the bearers of the transmitted data OFDM symbol, passed to the time domain by an Inverse Fourier Transform (IFFT) operation and transmitted.
- IFFT Inverse Fourier Transform
- the receiver could receive signals from up to K different transmitters and must indicate from whom it receives a signal and could even indicate with what power level.
- the Fourier Transform of the received signal is performed and the sum of the correlations is made according to the expressions ⁇ 1> and ⁇ 2> to detect the mark or marks received, discriminate them from other marks and discriminate them from the noise.
- the data signal OFDM is high-power and incorrect additive random noise, for which a process of averaging of several OFDM symbols is required to completely separate the watermark from the data.
- FIG. 1 shows a simplified block diagram of the proposed watermark system. The different parts that compose it are detailed below:
- Watermark index of the set to be transmitted.
- Public key length of the sequences to be transmitted.
- FIG. 2 shows a generic block diagram of a public-type watermark system. The different parts that compose it are detailed below:
- FIG. 3 shows a detailed block diagram of an OFDM transmitter with watermark insert. The different parts that compose it are detailed below:
- Attenuator to adjust the power with which the watermark is inserted.
- FIG. 4 shows the detail of an OFDM symbol and the attenuated carriers that make up the watermark. The different parts that compose it are detailed below:
- FIG. 5 shows the network scheme and a generic receiver diagram. The different parts that compose it are detailed below. 500. Transmitter with watermark 1
- FIG. 6 shows the detailed block diagram of the receiver. The different parts that compose it are detailed below.
- Figure 7 shows the spectral power density of the information signal, the watermark and the transmitted signal (sum of both).
- Figure 8 shows the result of the detection in a network with two transmitters (one is received with half the power of the other) with averaging of several symbols.
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Abstract
La marca de agua digital o watermarking, se insertar en el dominio de la frecuencia en una señal de transmisión por Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales (OFDM). La marca de agua se inserta con un nivel de potencia mucho menor que la señal OFDM, es decir, por encima del suelo de ruido de cuantificación del transmisor y por debajo del nivel de ruido del receptor apenas afectará a la señal recibida, pero podrá ser detectada. La marca de agua se recibe con un nivel de potencia pequeño, para diferenciarla de la señal OFDM con un nivel de potencia mucho más elevado empleando secuencias complementarias. Dichas secuencias permiten transmitir K conjuntos completamente ortogonales de N secuencias. Dicha propiedad permite señalizar hasta N marcas distintas (K=N). En el receptor se aplican operaciones de correlación y promediado para extraer la marca de agua y recuperar la información de señalización transmitida.
Description
MÉTODO Y APARATO PARA TRANSMISIÓN Y DETECCIÓN DE MARCAS DE AGUA DIGITALES EN SISTEMAS DE COMUNICACIONES OFDM
SECTOR DE LA TÉCNICA
La presente invención se refiere al método y aparato de señalización en sistemas OFDM (Orthogonal Frequency División Multiplexing) mediante inserción del mensaje (M) de señalización (ver figura 1) en frecuencia junto con los datos transmitidos (I). Dicha información permanece oculta para los receptores, ya que se Ia potencia con Ia que se inserta Ia señalización es varios ordenes de magnitud por debajo de los datos transmitidos. Esta técnica se utiliza comúnmente para insertar un mensaje en el interior de un objeto digital, como podrían ser imágenes, audio, video o texto, sin degradarlo y se Ie conoce con en nombre de marca de agua (o watermarking).
Esta técnica no suele usarse para señalizar en sistemas de comunicaciones, para eso se utilizan preámbulos dedicados para Ia señalización y en el caso de OFDM se utilizan también portadoras dedicadas. Las marcas de agua no se introducen en momentos temporales distintos al resto de datos (preámbulo) o portadoras frecuenciales separadas, si no junto con los datos, pero sin degradarlos. De tal modo, que Ia marca de agua no afecte a Ia recepción del mensaje de datos transmitido.
Normalmente se utiliza para identificar al propietario (copyright), pero en este caso, Ia utilidad, aunque no Ia única, es identificar el equipo transmisor, equipo de cabecera (head-end) o estación base (base-station).
Para Ia extracción de Ia información contenida en Ia marca (M) o para conocer si un objeto está marcado o no con una información concreta, necesitaremos unos datos u otros. En función de dichos datos y de Io que queramos obtener, tendremos diversos tipos de watermarking. En este caso, para detectar Ia marca transmitida no se necesita tener Ia marca (M) ni el objeto original. A este tipo de marca de agua se Ie conoce como de Tipo Público (ver figura 2).
ESTADO DE LA TÉCNICA
Para aplicar Ia marca, Ia energía de los bits de señalización se distribuye espectralmente utilizando Secuencias Complementarias (de forma similar a como se hace en tiempo en espectro ensanchado) y se repite temporalmente en todos los símbolos OFDM trasmitidos. De tal forma, que Ia detección se basa en correlaciones en el dominio de Ia frecuencia y promediando resultados de símbolos OFDM consecutivos. Un sistema con un enfoque similar pero orientado a Ia marca de fotografías es [Ehrmann Patin et al., "Method and Device for Sending and Receiving Watermark for Decoding" US Patent No.: 7,013,023]. En este caso, Ia información se protege mediante el uso de Turbo Códigos y no de Conjuntos de Secuencias Complementarias (CSC) en el dominio de Ia frecuencia como en esta patente.
Los CSC suelen utilizarse en el dominio de Ia frecuencia (OFDM) para modular la información transmitida y reducir Ia relación de potencia de pico a potencia media (PAPR
- Peak to Average Power Ratio) como en [ van Nee, "Digital Communications System
Using Complementary Codes and Amplitude Modulation", US Patent No.: 5,841 ,813] o en
[Awater et al., "Complementary Encoding and Modulation System for Use in an
Orthogonal Frequency División Multiplexing Transmitter System and Methos Thereof , US Patent No.:6,005,840].
En esta patente Ia marca de agua se utiliza principalmente para diferenciar Ia procedencia (transmisor) de los datos recibidos. En sistemas OFDM esto típicamente se hace mediante preámbulos como en [Ryan, "Synchronization Preamble Method for OFDM Waveforms in a Communication System", US Patent No.: 6,643,281].
Otros sistemas de marca de agua se han propuesto en sistema OFDM para autenticación y seguridad en redes inalámbricas como [Keider et al, "Radio Frequency Watermarking for OFDM wireless Networks", IEEE Proceedings. ICASSP'04. VoI. 5, pp. 397-400. May 2004]. La diferencia con esta patente radica en el uso de códigos ortogonales. Códigos ortogonales como los que aquí se presentan han sido propuestos con anterioridad para transmisión de datos con M-ary Orthogonal Keying (MOK) como [van Nee, "Digital Modulation System Using Modified Orthogonal Codes to Reduce Autocorrelation" US Patent No.: 6,404,732] o para transmisión en espectro ensanchado como en [Gilhousen, "System and Method for Orthogoanl Spread Spectrum Seqeunce Generation in Variable Data Rate Systems", Us Patent No.: 5,751,761].
En las dos referencias anteriores se utilizan conjuntos ortogonales que tienen dos componentes (K=2), también llamados secuencias Golay [MARCEL J. E. Golay "Complementan/ Series". IRE Transactions on Information Theory, April 1961, pp. 82-87.], pero es posible trabajar con K>2 [C-C. Tseng, C. L Uu, "Complementary Sets of Sequences", IEEE Trans. Inform. Theory, VoI. IT-18, No 5, pp. 644-651, Sept. 1972.].
La principal propiedad de los Conjuntos de Secuencias Complementarias o CSC es:
/=1
<1>
Donde rα es Ia autocorrelación aperiódica de x. La suma de Ia autocorrelación de las K secuencias del conjunto es igual a KN para n=0 y 0 para n≠O (delta de Krónecker multiplicado por el factor KN), siendo N Ia longitud de dichas secuencias.
Otra propiedad interesante es que existen K conjuntos de secuencias que son mutuamente incorreladas (también llamadas conjuntos ortogonales):
Esto permite que K conjuntos se transmitan simultáneamente.
La generación y detección de secuencias Golay pude realizarse de forma eficiente aplicando los sistemas definidos en [S.Z. Budisin. "Efficient Pulse Compressor for Golay Complementary Sequences", Elec. Lett. VoI 27, No 3, pp. 219-220, 31st Jan., 1991.] y [Popovic, BM. "Efficient Golay correlator". Electronics Letters, Volume:35, ISSUΘ: 17 , 19 Aug. 1999 Pages:1427 - 1428.]. Estas estructuras son sólo válidas para K=2. Para Ia generación con K>2, un algoritmo óptimo de generación se describe en [X. Huang and Y. Li, "Scalable Complete Complementary Sets of Sequences", IEEE Globecom 2002,
Taipei, Taiwán, Nov 17.21 , 2002]. Un algoritmo óptimo de generación y/o correlación para K>2 se describe en [José María Insenser et al."Método y Sistema de Estimación de Canales de Múltiple Entrada y Múltiple Salida" Solicitud de patente española No. P200601942. 20 de julio de 2006.]
El método innovador aquí descrito se basa en insertar en el dominio de Ia frecuencia una marca de agua basada en CSC ortogonales para poder detectar el transmisor o transmisores de Ia señal recibida, asi como el nivel de potencia con que se recibe.
EXPLICACIÓN DE LA INVENCIÓN
Aprovechando las propiedades de los conjuntos de secuencias complementarias explicadas en las expresiones <1> y <2>, con secuencias de longitud N se pueden insertar hasta K=N=2S marcas de agua completamente ortogonales, siendo S el número de bits utilizados para señalizar, (ver figura 3). La marca de agua (de 1 a K) del transmisor se utilizará para generar o seleccionar el CSC a transmitir, que se compone de K secuencias de longitud N (KN=K2 chips). Las secuencias se mapean a una constelación con B bits por símbolo, dando como resultado KN/B símbolos. Los símbolos resultantes se ajustan al número de portadoras OFDM disponibles (C) y se atenúa (ver figura 4) a un nivel superior al suelo de ruido de cuantificación, pero inferior al ruido del receptor en el mejor caso, para no degradar Ia señal recibida. El resultado se suma a las portadoras del símbolo OFDM de datos transmitido, se pasa al dominio temporal mediante una operación de Transformada de Fourier Inversa (IFFT) y se transmite.
El receptor (ver figura 5), podría recibir señales de hasta K transmisores diferentes y deberá indicar de quién recibe señal e incluso podría indicar con que nivel de potencia. Para ello (ver figura 6), se realiza la Transformada de Fourier de la señal recibida y realiza Ia suma de las correlaciones según las expresiones <1> y <2> para detectar Ia marca o marcas recibidas, discriminarlas de otras marcas y discriminarlas del ruido. Para Ia marca transmitida, Ia señal OFDM de datos es ruido aleatorio aditivo de alta potencia e incorrelado, por Io que se requiere un proceso de promediado de varios símbolos OFDM para separar completamente Ia marca de agua de los datos.
En Ia figura 7 se puede ver Ia Distribución Espectral de Potencia (PSD - Power Spectral Density) de un sistema real basado en Io aquí expuesto, donde se aprecia que la potencia de Ia marca de agua es 4OdB inferior a los datos transmitidos. En el receptor, se
discriminan dos marcas de agua de dos transmisores y se comprueba que uno de ellos se recibe con Ia mitad de potencia.
BREVE DESCRIPCIÓN DE LOS DIBUJOS
La figura 1 muestra un diagrama de bloques simplificado de sistema de marca de agua propuesto. Las distintas partes que Io componen se detallan a continuación:
100. Señal OFDM con los datos a transmitir.
101. bloque de inserción de Ia marca de agua.
102. Marca de agua: índice del conjunto a transmitir.
103. Clave pública: longitud de las secuencias a transmitir.
104. Señal marcada transmitida. 105. señal marcada recibida.
106. Bloque de extracción.
107. Clave pública: longitud de las secuencias a detectar.
108. Marca detectada.
La figura 2 muestra un diagrama de bloques genérico de un sistema de marca de agua de tipo público. Las distintas partes que lo componen se detallan a continuación:
200. Objeto Original.
201. Bloque de inserción de Ia marca de agua. 202. Marca de agua.
203. Clave pública.
204. Objeto marcado.
205. Objeto marcado recibido.
206. Bloque de extracción. 207. Clave pública.
208. Marca detectada.
La figura 3 muestra un diagrama de bloques detallado de un transmisor OFDM con inserción de marca de agua. Las distintas partes que Io componen se detallan a continuación:
300. Marca de señalización a insertar de S bits.
301. Bits de información a transmitir en OFDM.
302. Generador del Conjunto (de 1 a K) de K Secuencias Complementarias de Longitud N, siendo K=N=2S.
303. Mapeado de los chips de las secuencias transmitidas a símbolos de una constelación de B bits por símbolo. 304. Bloque para ajustar el número de símbolos de Ia marca de agua al número de portadoras del símbolo OFDM.
305. Atenuador para ajustar Ia potencia con que se inserta Ia marca de agua.
306. Mapeo de las portadoras de datos a símbolos según Ia constelación elegida. 307. Sumador de las portadoras de datos y de Ia marca de agua.
308. Transformada Inversa de Fourier para pasar las portadoras del símbolo OFDM al dominio del tiempo.
309. Otros bloques de Ia cadena de transmisión.
La figura 4 muestra el detalle de un símbolo OFDM y las portadoras atenuadas que componen Ia marca de agua. Las distintas partes que Io componen se detallan a continuación:
400. Portadoras de un símbolo OFDM.
401. Primera portadora. 402. Atenuación de las portadoras de Ia marca de agua.
403. Portadoras correspondientes a Ia marca de agua.
La figura 5 muestra el esquema de red y un diagrama genérico del receptor. Las distintas partes que Io componen se detallan a continuación. 500. Transmisor con marca de agua 1
501. Transmisor con marca de agua K
502. Receptor.
503. Sistema de detección de Ia marca de agua.
504. Salidas de detección de las marcas de agua desde Ia 1 hasta Ia K.
La figura 6 muestra el diagrama de bloques detallado del receptor. Las distintas partes que Io componen se detallan a continuación.
600. Bloques típicos de Ia cadena de recepción.
601. Transformada de Fourier para pasar al dominio de Ia frecuencia los símbolos OFDM.
602. Sumas de correlaciones con los conjuntos de 1 a K.
603. Clave para Ia detección de Ia marca de agua: Longitud de las secuencias transmitidas.
604. Promediado de varios símbolos OFDM.
605. Detección de las marcas de agua. 606. Salidas de detección de las marcas de agua desde Ia 1 hasta Ia K.
La figura 7 muestra Ia densidad espectral de potencia de Ia señal de información, de la marca de agua y de Ia señal transmitida (suma de ambas).
La figura 8 muestra el resultado de Ia detección en una red con dos transmisores (uno se recibe con Ia mitad de potencia que el otro) con promediado de varios símbolos.
Claims
1. Un método esteganográfico de marcado de agua digital que comprende:
• La inserción de marcas de agua basadas en conjuntos de secuencias de bits con correlación cruzada baja, que son conocidas en el receptor, en el dominio de Ia frecuencia en un sistema de Multiplexación por División de Frecuencias Ortogonales comúnmente conocido como OFDM.
• La transmisión de Ia señal marcada.
• La recepción de señales marcadas. • La detección de Ia marca o marcas recibidas, discriminándolas mutuamente y diferenciándolas de Ia señal OFDM.
2. Un método, según Ia reivindicación 1, donde Ia marca de agua se basa en K Conjuntos Ortogonales de N Secuencias Complementarias, donde S es el número de bits de Ia marca de agua, siendo 2S=K. Entendiendo como Secuencias Complementarias aquellas secuencias cuya suma de sus autocorrelaciones es cero excepto para el desplazamiento cero y entendiendo como Conjuntos Ortogonales aquellos cuya suma de correlaciones cruzadas es siempre cero.
3. Un método, según Ia reivindicación 2, donde se utilizan Secuencias Complementarias de longitud N o mayor que N.
4. Un método, según Ia reivindicación 2, donde K=N.
5. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde los chips de las secuencias se transmiten en portadoras consecutivas.
6. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde los chips secuencias se transmiten en portadoras no consecutivas.
7. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde los chips de las secuencias se transmiten en el mismo símbolo OFDM.
8. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde los chips secuencias se transmiten en diferentes símbolos OFDM.
9. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde las secuencias del conjunto se transmiten de forma consecutiva en frecuencia.
10. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde las secuencias del conjunto se transmiten de forma no consecutiva en frecuencia.
11. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde las secuencias del conjunto se transmiten en el mismo símbolo OFDM.
12. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde las secuencias del conjunto se transmiten en distintos símbolos OFDM.
13. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde Ia modulación de Ia marca de agua sea una constelación compleja.
14. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde Ia modulación de Ia marca de agua sea una constelación no compleja.
15. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde Ia modulación de Ia marca de agua sea una constelación diferencial.
16. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde Ia modulación de Ia marca de agua sea una constelación no diferencial.
17. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde Ia modulación de Ia marca de agua sea una constelación basada en diferentes desplazamientos de fase.
18. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde Ia modulación de Ia marca de agua sea una constelación con varios niveles de amplitud.
19. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde Ia atenuación de Ia marca de agua sea suficiente como para se insertada sin degradar Ia señal transmitida, pero con potencia suficiente para ser detectada.
20. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde Ia detección determine si hay o no marca y cual es Ia marca o marcas recibidas.
21. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, donde Ia detección determine Ia potencia de Ia marca recibida.
22. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, utilizado para señalizar el transmisor del que procede Ia señal.
23. Un método, según las reivindicaciones 1 ó 2, utilizado para detectar Ia potencia de Ia señal recibida de los diferentes transmisores.
24. Un sistema de comunicaciones (aparato transmisor y receptor) que aplique el método reivindicado en 1 ó 2.
25. Una red de comunicaciones que comprende un emisor y un receptor como el reivindicado en 1 ó 2.
26. Una estación base de una red de comunicaciones compuesta por un transmisor como el reivindicado en 1 ó 2.
27. Una estación móvil de una red de comunicaciones compuesta por un receptor como el reivindicado en 1 ó 2.
28. Un sistema de cabecera de una red de comunicaciones compuesta por un transmisor como el reivindicado en 1 ó 2.
29. Una estación remota de una red de comunicaciones compuesta por un receptor como el reivindicado en 1 ó 2.
30. Un módem de una red de comunicaciones compuesta por un receptor como el reivindicado en 1 ó 2.
31. Un dispositivo integrado que implemente los métodos reivindicados en 1 ó 2.
32. Un dispositivo de lógica programable que implemente los métodos reivindicados en 1 ó 2.
33. Un programa o software que implemente los métodos reivindicados en 1 ó 2.
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