基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法，針對(duì)分組碼、RS碼、卷積碼和串行級(jí)聯(lián)碼等不同的信道編碼算法，提出了秘密信息嵌入的容量自適應(yīng)方法；并且提出了基于m序列的信道編碼信息嵌入和提取算法。利用本發(fā)明，能夠根據(jù)所使用信道編碼的不同和通信環(huán)境的不同自適應(yīng)地確定隱蔽信道容量；不影響含密載體的正常使用，能夠抵抗卡方分析、RS分析等主要密寫分析攻擊；在衛(wèi)星信道誤比特率（10-3-10-5）條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)秘密信息的準(zhǔn)無(wú)誤碼傳輸。
【專利說明】基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及衛(wèi)星通信【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著通信技術(shù)的不斷發(fā)展，衛(wèi)星信道隱蔽通信可用于秘密指令的安全分發(fā)，也可用于借助公開信道的信息傳遞。監(jiān)聽者只能監(jiān)聽到傳輸公開信息的信道，不能發(fā)現(xiàn)傳輸秘密信息的通信過程。隱蔽通信有效地保護(hù)了情報(bào)信息傳輸和安全。
[0003]衛(wèi)星通信場(chǎng)景通常采用“透明式”彎管轉(zhuǎn)發(fā)的情形，通信信號(hào)在衛(wèi)星的透明轉(zhuǎn)發(fā)器上進(jìn)行低噪聲放大、變頻及功率放大外，不作任何加工處理，通信信號(hào)的編碼不受影響。同時(shí)星上不采用處理轉(zhuǎn)發(fā)器，因?yàn)樵谛l(wèi)星的上/下行鏈路一般采用相同的編碼方式。如何保證隱蔽通信方法的隱蔽性一直是衛(wèi)星隱蔽通信中的一個(gè)難題。而且由于衛(wèi)星通信信號(hào)受到通信鏈路比特誤碼干擾，有可能會(huì)破壞其中的隱藏信息。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供適用于衛(wèi)星信道的自適應(yīng)秘密信息嵌入和提取方法。
[0005]為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提出了基于衛(wèi)星信道編碼的信道隱蔽通信算法，這種隱蔽通信方法具有很好的隱蔽性，所述方法包括以下步驟:
[0006]a、對(duì)信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼；
[0007]b、利用信道的誤比特率信息，計(jì)算得到隱蔽通信容量；
[0008]C、利用秘密信息嵌入算法將秘密信息嵌入到編碼后的信源數(shù)據(jù)；
[0009]d、利用秘密信息提取算法從接收到的信源數(shù)據(jù)提取出秘密信息；
[0010]e、對(duì)接收到的信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道譯碼；
[0011]所述步驟b中，計(jì)算得到隱蔽通信容量采用基于分組碼的容量自適應(yīng)算法、基于RS碼的容量自適應(yīng)算法、基于卷積碼的容量自適應(yīng)算法或基于串行級(jí)聯(lián)碼的容量自適應(yīng)算法。
[0012]所述步驟b中，實(shí)現(xiàn)了嵌入容量自適應(yīng)性，在給定信道編碼方式以及糾錯(cuò)編碼方式的情況下，針對(duì)不同的誤碼率可以動(dòng)態(tài)選擇嵌入容量，這樣就避免了嵌入信息的盲目性，增加了信息傳輸?shù)目煽啃浴?br> [0013]增強(qiáng)了安全性，由于嵌入信息容量的可控，這樣就避免多嵌入信息而出現(xiàn)的載體信源誤碼，避免了因?yàn)檩d體的誤碼引發(fā)的一些不安全因素。
[0014]通信載體類型不受限，只與信道編碼格式和通信服務(wù)需求相關(guān)。
[0015]采用模塊化可控介入方式，不影響衛(wèi)星信道正常通信過程，且便于后續(xù)功能升級(jí)和擴(kuò)展。
[0016]本發(fā)明的有益效果是:[0017](I)本發(fā)明能夠根據(jù)所使用信道編碼的不同和通信環(huán)境的不同自適應(yīng)地確定隱蔽信道容量；不影響含密載體的正常使用，能夠抵抗卡方分析、RS分析等主要密寫分析攻擊；在衛(wèi)星信道誤比特率(10_3-10_5)條件下，能夠?qū)崿F(xiàn)秘密信息的準(zhǔn)無(wú)誤碼傳輸。
[0018](2)本發(fā)明步驟b中，實(shí)現(xiàn)了嵌入容量自適應(yīng)性，在給定信道編碼方式以及糾錯(cuò)編碼方式的情況下，針對(duì)不同的誤碼率可以動(dòng)態(tài)選擇嵌入容量，這樣就避免了嵌入信息的盲目性，增加了信息傳輸?shù)目煽啃?，由于嵌入信息容量的可控，這樣就避免多嵌入信息而出現(xiàn)的載體信源誤碼，避免了因?yàn)檩d體的誤碼引發(fā)的一些不安全因素。
[0019](3)通信載體類型不受限，只與信道編碼格式和通信服務(wù)需求相關(guān)。
[0020](4)本發(fā)明采用模塊化可控介入方式，不影響衛(wèi)星信道正常通信過程，且便于后續(xù)功能升級(jí)和擴(kuò)展。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0021]圖1是本發(fā)明方法實(shí)施例的衛(wèi)星信道隱蔽通信模型圖；
[0022]圖2是本發(fā)明方法秘密信息嵌入算法實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)流程圖；
[0023]圖3是本發(fā)明方法秘密信息提取算法實(shí)施例的實(shí)現(xiàn)流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0024]如圖1所示，是本發(fā)明方法提出的衛(wèi)星信道隱蔽通信模型。該模型中包括8個(gè)主要模塊，分別是信道編碼模塊和信道譯碼模塊、糾錯(cuò)編碼模塊和糾錯(cuò)譯碼模塊、秘密信息嵌入模塊和秘密信息提取模塊、衛(wèi)星信道模塊、信道容量自適應(yīng)模塊。各模塊的功能需求如下:
[0025]I)信道編碼模塊
[0026]信道編碼模塊位于發(fā)送端，該模塊對(duì)輸入的信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼，添加數(shù)據(jù)冗余增強(qiáng)信源數(shù)據(jù)抵抗信道誤碼的能力。然后將編碼后的數(shù)據(jù)通過衛(wèi)星信道模塊傳輸?shù)浇邮斩恕?br> [0027]2)信道譯碼模塊
[0028]信道譯碼模塊位于接收端，該模塊與信道編碼模塊成對(duì)出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)接收到數(shù)據(jù)的信道譯碼，糾正數(shù)據(jù)比特錯(cuò)誤獲得正確的信源數(shù)據(jù)。
[0029]3)糾錯(cuò)編碼模塊
[0030]糾錯(cuò)編碼模塊位于發(fā)送端，該模塊對(duì)輸入的秘密信息進(jìn)行糾錯(cuò)編碼，提高秘密信息的誤碼魯棒性。編碼后的秘密信息將輸入到秘密信息嵌入模塊。
[0031]4)糾錯(cuò)譯碼模塊
[0032]糾錯(cuò)譯碼模塊位于接收端，該模塊與糾錯(cuò)編碼模塊成對(duì)出現(xiàn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)提取秘密信息的糾錯(cuò)譯碼獲得正確的秘密信息。
[0033]5)秘密信息嵌入模塊
[0034]秘密信息嵌入模塊位于發(fā)送端，該模塊執(zhí)行秘密信息嵌入算法，按照嵌入位置規(guī)則以及信道容量自適應(yīng)模塊指定的嵌入容量將編碼后的秘密信息嵌入到信源數(shù)據(jù)中，然后隨信源數(shù)據(jù)一起傳輸?shù)浇邮斩恕?br> [0035]6)秘密信息提取模塊
[0036]秘密信息提取模塊位于接收端，該模塊與秘密信息嵌入模塊成對(duì)出現(xiàn)，執(zhí)行秘密信息提取算法，從輸入的數(shù)據(jù)中提取秘密信息，然后將提取出的信息數(shù)據(jù)輸入糾錯(cuò)譯碼模塊。
[0037]7)衛(wèi)星信道模塊
[0038]該模塊執(zhí)行數(shù)據(jù)的傳輸，并模擬仿真信道誤碼丟包。
[0039]8 )信道容量自適應(yīng)模塊[0040]信道容量自適應(yīng)模塊從衛(wèi)星信道模塊中獲得信道的誤碼參數(shù)信息，執(zhí)行信道容量自適應(yīng)算法，計(jì)算秘密信息嵌入容量，并將其輸入到秘密信息嵌入模塊。
[0041]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)過程如下:
[0042]a、對(duì)信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼；
[0043]b、利用信道的誤比特率信息，計(jì)算得到隱蔽通信容量；
[0044]C、利用秘密信息嵌入算法將秘密信息嵌入到編碼后的信源數(shù)據(jù)；
[0045]d、利用秘密信息提取算法從接收到的信源數(shù)據(jù)提取出秘密信息；
[0046]e、對(duì)接收到的信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道譯碼；
[0047]本發(fā)明針對(duì)不同的信道編碼算法，提出了秘密信息嵌入的容量自適應(yīng)方法。
[0048]a、基于分組碼的容量自適應(yīng)算法
[0049]假設(shè)信道編碼采用分組編碼以及直接替代的信息嵌入算法。隱藏信息經(jīng)過糾錯(cuò)編碼嵌入到信源數(shù)據(jù)經(jīng)過信道編碼后的載體數(shù)據(jù)當(dāng)中，進(jìn)行信道傳輸，在接收端再進(jìn)行隱藏信息提取和信道譯碼。記信道編碼參數(shù)為(I^k1) U1是碼字長(zhǎng)度，1^是信息碼元位數(shù))，糾錯(cuò)能力為t1;隱藏信息的糾錯(cuò)編碼參數(shù)為(n2，k2)，糾錯(cuò)能力為t2，每組信道編碼的碼字里嵌入m個(gè)經(jīng)糾錯(cuò)編碼的隱藏信息的碼字。
[0050]考慮信源的載體數(shù)據(jù)在信道譯碼處經(jīng)過糾錯(cuò)后，其誤比特率小于等于某個(gè)閾值T的情況下，隱藏信息能達(dá)到的最大嵌入容量。
[0051]在未嵌入隱藏信息的情況下糾錯(cuò)后的信道編碼誤比特率為:
[0052]^=λΣ^(ΙΡ::0-ρχ-1

r=/j+l
[0053]其中，β i表示經(jīng)過信道產(chǎn)生i位符號(hào)錯(cuò)誤時(shí)，經(jīng)糾錯(cuò)后編碼碼字中錯(cuò)誤符號(hào)的平均位數(shù)。容易知道I滿足:
「 ^ |/-/, </? </ + ^/>/,
[0054]i ^
I A = o,/</;
[0055]i是標(biāo)號(hào)，Q1是組合數(shù)，Pe是每個(gè)比特出錯(cuò)的概率，4是匕的i次冪。
[0056]于是，信道編碼誤比特率可以取上限為:
[0057]Pbsi ?+PeT1 1

i=tt +i
[0058]在嵌入m位隱藏信息的情況下，記隱藏信息對(duì)信道編碼碼字造成的符號(hào)錯(cuò)誤位數(shù)為j，而這j位中因信道而產(chǎn)生的符號(hào)錯(cuò)誤位數(shù)為k。另外記剩下的叫-j位中因信道而產(chǎn)生的符號(hào)錯(cuò)誤位數(shù)為i。那么，此時(shí)單個(gè)信道編碼碼字經(jīng)過信道后錯(cuò)誤符號(hào)的位數(shù)為i+j-k。于是糾錯(cuò)后的信道編碼誤比特率為:
【權(quán)利要求】
1.基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法，通過信道容量自適應(yīng)技術(shù)控制秘密信息嵌入，其特征在于，所述方法包括以下步驟: a、對(duì)信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道編碼； b、利用信道的誤比特率信息，計(jì)算得到隱蔽通信容量； C、利用秘密信息嵌入算法將秘密信息嵌入到編碼后的信源數(shù)據(jù)； d、利用秘密信息提取算法從接收到的信源數(shù)據(jù)提取出秘密信息； e、對(duì)接收到的信源數(shù)據(jù)進(jìn)行信道譯碼。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法，其特征在于:所述步驟b中，計(jì)算得到隱蔽通信容量采用基于分組碼的容量自適應(yīng)算法、基于RS碼的容量自適應(yīng)算法、基于卷積碼的容量自適應(yīng)算法或基于串行級(jí)聯(lián)碼的容量自適應(yīng)算法。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法，其特征在于:所述基于分組碼的容量自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)如下: 假設(shè)信道編碼采用分組編碼以及直接替代的信息嵌入算法，隱藏信息經(jīng)過糾錯(cuò)編碼嵌入到信源數(shù)據(jù)經(jīng)過信道編碼后的載體數(shù)據(jù)當(dāng)中，進(jìn)行信道傳輸，在接收端再進(jìn)行隱藏信息提取和信道譯碼，記信道編碼參數(shù)為Oi1, h)，糾錯(cuò)能力為t1;隱藏信息的糾錯(cuò)編碼參數(shù)為(n2, k2)，糾錯(cuò)能力為t2，每組信道編碼的碼字里嵌入m個(gè)經(jīng)糾錯(cuò)編碼的隱藏信息的碼字， (1)在未嵌入隱藏信息的情況下，計(jì)算糾錯(cuò)后的信道編碼誤比特率為:

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法，其特征在于:所述基于RS碼的容量自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)步驟如下: (1)記信道采用的RS編碼參數(shù)為Oi1,10，糾錯(cuò)能力為&，碼元為Q進(jìn)制，最小距離為dmin,且參數(shù)滿足= Q-Ln1-1i1 = 2t1,dmin = 21^+1,該Q進(jìn)制RS碼的Q取成2的冪次，記Q = 2%隱藏信息的糾錯(cuò)編碼采用也采用RS碼’參數(shù)為(n2，k2)，糾錯(cuò)能力為t2，其中n2 = Ii1=Q-1，n2-k2 = 2t2， 每組Q進(jìn)制信道編碼的碼字里嵌入m個(gè)經(jīng)糾錯(cuò)編碼的隱藏信息的Q進(jìn)制碼字，計(jì)算RS碼在糾錯(cuò)后的信道編碼誤符號(hào)率為:

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法，其特征在于:所述基于卷積碼的容量自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)步驟如下: (1)假設(shè)信道編碼采用卷積碼以及直接替代的信息嵌入算法。隱藏信息經(jīng)過糾錯(cuò)編碼嵌入到信源數(shù)據(jù)經(jīng)過信道編碼后的載體數(shù)據(jù)當(dāng)中，進(jìn)行信道傳輸，在接收端再進(jìn)行隱藏信息提取和信道譯碼，記信道編碼參數(shù)為Oi1, k1； L)，自由距離為df，則編碼約束長(zhǎng)度為Na =L+1，糾錯(cuò)能力為t1;隱藏信息的糾錯(cuò)分組編碼參數(shù)為(n2，k2)，糾錯(cuò)能力為t2，每組約束長(zhǎng)度下的信道編碼的碼字里嵌入m個(gè)經(jīng)糾錯(cuò)編碼的隱藏信息的碼字； 在未嵌入隱藏信息的情況下，計(jì)算糾錯(cuò)譯碼后的信道編碼誤比特率上限滿足:
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法，其特征在于:所述基于串行級(jí)聯(lián)碼的容量自適應(yīng)算法實(shí)現(xiàn)步驟如下: (O假設(shè)卷積內(nèi)碼是(Ii1, k1； L)，自由距離為df，則編碼約束長(zhǎng)度為Na = L+l，RS外碼(N1, K1),糾錯(cuò)能力為T1，碼元進(jìn)制為Q = 2%則有N1 = Q-1, N1-K1 = 2?\ ； 卷積碼最可能的差錯(cuò)序列長(zhǎng)度是L+l，RS 二進(jìn)制衍生碼糾突發(fā)差錯(cuò)的能力是(T-1)q+Ι，因此內(nèi)外碼原則上應(yīng)滿足(T-1) q+1 3L+1，使卷積碼譯碼差錯(cuò)在大多數(shù)情況下能被RS碼糾正； (2)計(jì)算外碼RS碼的誤符號(hào)率為:
Pe = (IPex 其中，經(jīng)內(nèi)碼卷積碼糾錯(cuò)后輸出到外碼RS碼的誤比特率八； (3)根據(jù)步驟(2)，利用基于RS碼的容量自適應(yīng)算法的結(jié)論，即可獲得自適應(yīng)的嵌入容量。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法，其特征在于:所述步驟c中的秘密信息嵌入算法為一種基于m序列的信道編碼信息隱藏算法，以原始信息數(shù)據(jù)的信道編碼碼字作為嵌入載體，利用m序列對(duì)隱藏信息進(jìn)行偽隨機(jī)加擾并且確定其嵌入位置，提取譯碼后不會(huì)影響原始信息數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)和統(tǒng)計(jì)特性，具體實(shí)現(xiàn)步驟如下: (O首先利用密鑰K1產(chǎn)生m序列1:
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于衛(wèi)星信道編碼的自適應(yīng)隱蔽通信方法，其特征在于:所述步驟在d中的秘密信息提取算法為基于m序列的信道編碼秘密信息提取算法，具體實(shí)現(xiàn)如下: (1)利用密鑰K2生成m序列2:
【文檔編號(hào)】H04W12/02GK103476026SQ201310401740
【公開日】2013年12月25日 申請(qǐng)日期:2013年9月6日 優(yōu)先權(quán)日:2013年9月6日
【發(fā)明者】馬恒太, 易小偉, 鄭昌文, 潘輝, 李明宇, 朱登科 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院軟件研究所