一种基于小波变换的编码信道信息隐藏方法与流程

本发明涉及信息隐藏领域，尤其涉及一种基于小波变换的编码信道信息隐藏方法。

背景技术

信息隐藏是将机密信息秘密地隐藏于公开信息中，然后在开放信道上通过公开信息的传输来传递机密信息。第三方由于受感知分辨率的限制，难以判断公开信息中是否嵌套了秘密信息，从而保证秘密通信的不可觉察性。

目前信息隐藏技术的研究主要集中在文本、图像、音频和视频等载体上进行的。而本文的研究对象是无线数字通信系统中的隐藏通信技术，即发送方在开放无线信道上，使用公开标准发送的无线通信信号中嵌入一定信息量的隐藏信息，隐蔽通信接收方可以通过一定方式准确地解析该秘密信息，而监测方即使了解本方法的基本原理，但在没有获知密钥的情况下仍无法对通信过程中的秘密信息存在性进行高准确性的判断。

信息隐藏通信的本质在于利用在开放信道上的可公开信息正常传输过程的掩护进行秘密信息传递，使非目标用户无法察觉到秘密信息本身，甚至信息传递行为的存在。因此，隐蔽通信系统必须具有很高的隐蔽性、稳健性和安全性。

信息隐藏通信系统必须在高隐蔽性这一首要前提下，保证系统的稳健性。隐蔽性是指秘密信息的不可感知性，即嵌入秘密信息后的发送信号无论从时域、频域特征分量上看，还是解调结果，都不能有可察觉的异常；稳健性则要求隐蔽通信接收端能够从空中的混合信号里准确地恢复出秘密信息。

1983年simmons在国际密码学术研讨会上提出了“囚徒问题”，这成为了现代信息隐藏的普遍理论模型。考虑到随着数字信号处理能力的不断提升，监测方在不考虑成本的情况下，理论上在公共开放信道上会具备超强的信号手机和分析能力，因此对在无线编码信道上的信息隐藏算法设计而言，理想的算法需要具备如下特性：

算法的保密性：算法原理越保密，敌方发展针对性的分析技术越难，因此该算法应该是未公开发表的。算法抵抗穷举分析性：即使敌方通过各种途径了解到了算法原理，该算法也可以通过趋于无穷且时变的密钥空间来抵御对方的穷举分析。

隐藏信息嵌入公开信息的方式是决定隐藏性能的基础，其设计理念是在具备对开放信道的所有信号解析能力的侦测方去除公开信息的承载信号后，其嵌入隐藏信息的剩余信号的特征将和其他没有嵌入隐藏信息的通信信号的剩余信号的特征保持高度一致。否则即使隐藏信息的嵌入虽有没有导致公开信息的接收出现错误，但侦测方仍可以通过逆向推导或者对剩余信号的分析来判断出隐藏信息的存在性。而对于没有嵌套隐藏信息的公开信号而言，在理想去处通信信号成分后，剩余信号肯定是一个服从高斯分布的白噪声信号。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于小波变换的编码信道信息隐藏方法。本发明实现了混合信号的通信信号特征和无隐藏信息的通信信号在时域和频域上的趋同，同时保证了删除公开信号成分后，剩余信号的特征也趋同于白噪声，提升了隐蔽通信过程的安全性和隐蔽性。

本发明的目的能够通过以下技术方案实现：

一种基于小波变换的编码信道信息隐藏方法，具体步骤包括：

(1)对秘密信息进行预处理，所述预处理包括：

(1-1)基于各自的信息速率，对公开信息和秘密信息分别使用不同信道编码方法和星座映射，来产生程度相同的调制符号序列；

(1-2)采用正交小波函数对星座符号进行正交变换，产生趋同白噪声特征的i(实部)路和q路(虚路)信号；

(1-3)使用预存的交织矩阵对得到的i路信号和q路信号进行信号位置调整；

(2)按照一定的功率分配比例，将承载秘密信息的伪白噪声信号直接叠加在公开信息的星座符号上形成混合信号；

(3)使用开放信道所制定的功率发送规则或标准发射混合信号；

(4)接收端对接收到的混合信号进行处理，获取秘密信息。

具体地，所述步骤(1-2)中采用正交小波进行正交变换，目的是利用某一个正交小波基对调制符号进行一次变换，如qam符号，从而使得变换后的通信信号具备类似于高斯白噪声的信号特征。

更进一步地，为了增加敌方获知本技术方案设计原理后可以针对性进行分析的难度，对正交小波基的选择应当从如下两个方法中选取一个：

1、建立一个可以具备将调制信号高斯白噪声化能力的正交小波基的集合，每次编码都基于伪随机方式从集合中选择一个；

2、目前存在大量的已知正交小波基的构造方法，且不断有许多新的构造理论和方法出现。因此可以通过选择一些未在公开文献发表过的正交小波基或者自主构造新的正交小波基来避免对方获知本通信参数。

更进一步地，为了保证接收信号在i路和q路上不会因为出现明显差异而导致侦查方的警觉，因此秘密信息和公开信息的星座映射都同时使用实数新作图或复数星座图，允许使用不同的星座图。

具体地，在所述步骤(2)中产生混合信号的方法为：

(2-1)设秘密信息经过编码调制后的信号记为x[n],x[n]∈q,n＝1,2,...,n，q代表星座点集合，而数列p[n]和q[n],n＝1,2,...,m分别代表某一正交小波的尺度函数系数和小波函数系数，小波变换后的信号记为

(2-2)设公开信息经过编码调制后的信号记为代表星座点集合，则混合信号记为：

其中λ1和λ2分别表示公开信息信号和秘密信息信号的功率分配比例。

更进一步地，为了保证公开信息信号接收的正确性，且混合信号和其他不嵌套秘密信息的正常信号之间在相同信道情况下的差异性仍然保持在无线信道合理的波动水平下，因此要求λ1≥20λ2，即公开信号的功率水平要占95％比例以上，而信息速率远小于公开信息的秘密信息，则采用码率较低的编码方法，保证其在低信噪比情境下仍能正确接收。

具体地，所述步骤(4)中，接收端的接收方法为：

(4-1)对接收信号采用开放信道的标准算法进行信道估计和信号译码，正确地解析出公开信息的比特数据；

(4-2)基于信道估计和信号译码结果，重构公开信息的发送信号，通过信号抵消从接收信号中直接去除公开信息的信号成分；

(4-3)按照通信双方事先预存的交织矩阵对剩余信号进行逆交织处理；

(4-4)接收方基于逆交织处理后的信号进行后续的传统信道译码过程，并最终解析秘密信息的比特数据。

更进一步地，所述步骤(4-3)中，逆交织后得到的信号为其对应的逆小波变换算法为：

逆变换完成后得到逆变换信号y[n]，n＝1,...,n。

本发明相较于现有技术，具有以下的有益效果：

1、本发明针对秘密信息提供了一种基于小波正交变换的信号高斯化技术及其在公开信号的嵌入方式，实现混合信号的通信信号特征和无隐藏信息的通信信号在时域和频域上的趋同，同时保证删除公开信号成分后，剩余信号的特征趋同于白噪声，提升了隐蔽通信过程的安全性和隐蔽性。

附图说明

图1为一种基于小波变换的编码信道信息隐藏方法的步骤流程图；

图2为实施例中正交小波的尺度函数系数的示意图；

图3为实施例中正交小波的小波函数系数的示意图；

图4为实施例中4qam调制星座图；

图5为实施例中小波变换后的高斯复信号图；

图6为实施例中小波变换后的时域信号的对比图；

图7为实施例中小波变换后的信号幅度统计情况对比图；

图8为实施例中没有经过小波变换与经过小波变换后的最终接受信号的对比图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

一种基于小波变换的编码信道信息隐藏方法，具体步骤包括：

(1)对秘密信息进行预处理，所述预处理包括：

(1-1)基于各自的信息速率，对公开信息和秘密信息分别使用不同信道编码方法和星座映射，来产生程度相同的调制符号序列；

(1-2)采用正交小波函数对星座符号进行正交变换，产生趋同白噪声特征的i路和q路信号；

(1-3)使用预存的交织矩阵对得到的i路信号和q路信号进行信号位置调整；

(2)按照一定的功率分配比例，将承载秘密信息的伪白噪声信号直接叠加在公开信息的星座符号上形成混合信号；

(3)使用开放信道所制定的功率发送规则发射混合信号；

(4)接收端对接收到的混合信号进行处理，获取秘密信息。

具体地，如果数列p[n]和q[n],n＝1,2,...,n分别表示某一正交小波的尺度函数系数和小波函数系数，则对任意数列的分解算法如下所示：

其重构算法如下：

及满足分解前后的能量不变性等式

其中，数列c[j+1,k]的下标第一个表示层数，第二个表示整数轴。

在本实施例中，所使用的正交小波的尺度函数系数示意图与小波函数系数示意图分别如图2和图3所示。

在本实施例中，在步骤(1-2)中，对4qam符号进行调制后得到的星座图如图4所示。采用上述正交小波对10000个4qam符号进行变换，变换后的信号分布情况如图5所示。而小波变换后的实部时域信号、接收信噪比为0db的实部接收时域信号以及纯高斯白噪声时域信号的情况，如图6中由上到下的三个子图所示。虚部时域信号也与实部时域信号类似。对应的，图6中三个子图所对应的信号幅度分布的统计情况分别对应图7中从左到右的三个子图。

由图7可以看出，进行小波变换后的发送信号在时域上已经趋同于高斯白噪声信号，从而使得敌方接收机的接收信号也趋同于高斯白噪声，从而让检测算法在没有具备小波变换和信号交织参数的情况下很难将该信号和纯背景噪声进行区分和识别。

正交小波变换的本质是对调制符号进行一次正交变换，不会带来信号通信性能的损失。如图8所示为4qam符号在awgn信道中10db信噪比下的信号分布情况，以及相同信道和相同信噪比情况下使用正交小波变换，并在接收端经过小波逆变换环节后的信号分布情况。从图中可以看出，两种的通信性能是保持一致的。

在本实施例中的信息隐藏传输方法的本质是将信息速率较低的秘密信息进行码率较低的编码和星座映射，随后将其映射为一个具备高斯分布特征的伪白噪声信号。所采用的嵌入方式是以小功率方式将该信号直接叠加在大功率的公开信号上，因此在信道传输过程中会带来一定的性能损失。在awgn信道上，所述映射的方式具体为：

p1+p2＝p

其中，p表示信号发送功率，n表示信道噪声功率，p1表示混合信号中的公开信息信号发送功率，p2表示混合信号中的秘密信息信号发送功率，snr1表示没有嵌入隐藏信息信号的接收信噪比，snr2表示混合信号中公开信号的接收信噪比，snr3表示混合信号理想抵消公开信号后秘密信号的接收信噪比。

根据本实施例可知，对于了解本技术方法的原理但不知道交织矩阵信息(密钥)的侦测方而言，接收到的无线信号仅为一个正常的收到噪声污染的通信信号，且抵消公开信息信号后，剩余信号也仅为一个白噪声信号。考虑到开放无线信道上其他正常信号的存在性和互干扰，以及无线信道的时变性和复杂性，在秘密信号嵌套功率水平较低的情况下，侦测方无法对正常通信信号中的秘密信息的存在性进行高准确性的判断。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。