基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法技术

本发明专利技术提出了基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，针对分组码、RS码、卷积码和串行级联码等不同的信道编码算法，提出了秘密信息嵌入的容量自适应方法；并且提出了基于m序列的信道编码信息嵌入和提取算法。利用本发明专利技术，能够根据所使用信道编码的不同和通信环境的不同自适应地确定隐蔽信道容量；不影响含密载体的正常使用，能够抵抗卡方分析、RS分析等主要密写分析攻击；在卫星信道误比特率（10-3-10-5）条件下，能够实现秘密信息的准无误码传输。

【技术实现步骤摘要】
基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法
本专利技术涉及卫星通信
，具体涉及基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法。
技术介绍
随着通信技术的不断发展，卫星信道隐蔽通信可用于秘密指令的安全分发，也可用于借助公开信道的信息传递。监听者只能监听到传输公开信息的信道，不能发现传输秘密信息的通信过程。隐蔽通信有效地保护了情报信息传输和安全。卫星通信场景通常采用“透明式”弯管转发的情形，通信信号在卫星的透明转发器上进行低噪声放大、变频及功率放大外，不作任何加工处理，通信信号的编码不受影响。同时星上不采用处理转发器，因为在卫星的上/下行链路一般采用相同的编码方式。如何保证隐蔽通信方法的隐蔽性一直是卫星隐蔽通信中的一个难题。而且由于卫星通信信号受到通信链路比特误码干扰，有可能会破坏其中的隐藏信息。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是：提供适用于卫星信道的自适应秘密信息嵌入和提取方法。为了解决上述技术问题，本专利技术提出了基于卫星信道编码的信道隐蔽通信算法，这种隐蔽通信方法具有很好的隐蔽性，所述方法包括以下步骤：a、对信源数据进行信道编码；b、利用信道的误比特率信息，计算得到隐蔽通信容量；c、利用秘密信息嵌入算法将秘密信息嵌入到编码后的信源数据；d、利用秘密信息提取算法从接收到的信源数据提取出秘密信息；e、对接收到的信源数据进行信道译码；所述步骤b中，计算得到隐蔽通信容量采用基于分组码的容量自适应算法、基于RS码的容量自适应算法、基于卷积码的容量自适应算法或基于串行级联码的容量自适应算法。所述步骤b中，实现了嵌入容量自适应性，在给定信道编码方式以及纠错编码方式的情况下，针对不同的误码率可以动态选择嵌入容量，这样就避免了嵌入信息的盲目性，增加了信息传输的可靠性。增强了安全性，由于嵌入信息容量的可控，这样就避免多嵌入信息而出现的载体信源误码，避免了因为载体的误码引发的一些不安全因素。通信载体类型不受限，只与信道编码格式和通信服务需求相关。采用模块化可控介入方式，不影响卫星信道正常通信过程，且便于后续功能升级和扩展。本专利技术的有益效果是：（1）本专利技术能够根据所使用信道编码的不同和通信环境的不同自适应地确定隐蔽信道容量；不影响含密载体的正常使用，能够抵抗卡方分析、RS分析等主要密写分析攻击；在卫星信道误比特率（10-3-10-5）条件下，能够实现秘密信息的准无误码传输。（2）本专利技术步骤b中，实现了嵌入容量自适应性，在给定信道编码方式以及纠错编码方式的情况下，针对不同的误码率可以动态选择嵌入容量，这样就避免了嵌入信息的盲目性，增加了信息传输的可靠性，由于嵌入信息容量的可控，这样就避免多嵌入信息而出现的载体信源误码，避免了因为载体的误码引发的一些不安全因素。（3）通信载体类型不受限，只与信道编码格式和通信服务需求相关。（4）本专利技术采用模块化可控介入方式，不影响卫星信道正常通信过程，且便于后续功能升级和扩展。附图说明图1是本专利技术方法实施例的卫星信道隐蔽通信模型图；图2是本专利技术方法秘密信息嵌入算法实施例的实现流程图；图3是本专利技术方法秘密信息提取算法实施例的实现流程图。具体实施方式如图1所示，是本专利技术方法提出的卫星信道隐蔽通信模型。该模型中包括8个主要模块，分别是信道编码模块和信道译码模块、纠错编码模块和纠错译码模块、秘密信息嵌入模块和秘密信息提取模块、卫星信道模块、信道容量自适应模块。各模块的功能需求如下：1）信道编码模块信道编码模块位于发送端，该模块对输入的信源数据进行信道编码，添加数据冗余增强信源数据抵抗信道误码的能力。然后将编码后的数据通过卫星信道模块传输到接收端。2）信道译码模块信道译码模块位于接收端，该模块与信道编码模块成对出现，实现对接收到数据的信道译码，纠正数据比特错误获得正确的信源数据。3）纠错编码模块纠错编码模块位于发送端，该模块对输入的秘密信息进行纠错编码，提高秘密信息的误码鲁棒性。编码后的秘密信息将输入到秘密信息嵌入模块。4）纠错译码模块纠错译码模块位于接收端，该模块与纠错编码模块成对出现，实现对提取秘密信息的纠错译码获得正确的秘密信息。5）秘密信息嵌入模块秘密信息嵌入模块位于发送端，该模块执行秘密信息嵌入算法，按照嵌入位置规则以及信道容量自适应模块指定的嵌入容量将编码后的秘密信息嵌入到信源数据中，然后随信源数据一起传输到接收端。6）秘密信息提取模块秘密信息提取模块位于接收端，该模块与秘密信息嵌入模块成对出现，执行秘密信息提取算法，从输入的数据中提取秘密信息，然后将提取出的信息数据输入纠错译码模块。7）卫星信道模块该模块执行数据的传输，并模拟仿真信道误码丢包。8）信道容量自适应模块信道容量自适应模块从卫星信道模块中获得信道的误码参数信息，执行信道容量自适应算法，计算秘密信息嵌入容量，并将其输入到秘密信息嵌入模块。如图1所示，本专利技术实现过程如下：a、对信源数据进行信道编码；b、利用信道的误比特率信息，计算得到隐蔽通信容量；c、利用秘密信息嵌入算法将秘密信息嵌入到编码后的信源数据；d、利用秘密信息提取算法从接收到的信源数据提取出秘密信息；e、对接收到的信源数据进行信道译码；本专利技术针对不同的信道编码算法，提出了秘密信息嵌入的容量自适应方法。a、基于分组码的容量自适应算法假设信道编码采用分组编码以及直接替代的信息嵌入算法。隐藏信息经过纠错编码嵌入到信源数据经过信道编码后的载体数据当中，进行信道传输，在接收端再进行隐藏信息提取和信道译码。记信道编码参数为(n1,k1)（n1是码字长度，k1是信息码元位数），纠错能力为t1，隐藏信息的纠错编码参数为(n2,k2)，纠错能力为t2，每组信道编码的码字里嵌入m个经纠错编码的隐藏信息的码字。考虑信源的载体数据在信道译码处经过纠错后，其误比特率小于等于某个阈值T的情况下，隐藏信息能达到的最大嵌入容量。在未嵌入隐藏信息的情况下纠错后的信道编码误比特率为：其中，βi表示经过信道产生i位符号错误时，经纠错后编码码字中错误符号的平均位数。容易知道βi满足：t1βi=0,i≤t1]]>i是标号，是组合数，pe是每个比特出错的概率，是pe的i次幂。于是，信道编码误比特率可以取上限为：在嵌入m位隐藏信息的情况下，记隐藏信息对信道编码码字造成的符号错误位数为j，而这j位中因信道而产生的符号错误位数为k。另外记剩下的n1-j位中因信道而产生的符号错误位数为i。那么，此时单个信道编码码字经过信道后错误符号的位数为i+j-k。于是纠错后的信道编码误比特率为：...

【技术保护点】
基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，通过信道容量自适应技术控制秘密信息嵌入，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a、对信源数据进行信道编码；b、利用信道的误比特率信息，计算得到隐蔽通信容量；c、利用秘密信息嵌入算法将秘密信息嵌入到编码后的信源数据；d、利用秘密信息提取算法从接收到的信源数据提取出秘密信息；e、对接收到的信源数据进行信道译码。

【技术特征摘要】
1.基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，通过信道容量自适应技术控制秘密信息嵌入，其特征在于，所述方法包括以下步骤：a、对信源数据进行信道编码；b、利用信道的误比特率信息，计算得到隐蔽通信容量；c、利用秘密信息嵌入算法将秘密信息嵌入到编码后的信源数据；d、利用秘密信息提取算法从接收到的信源数据提取出秘密信息；e、对接收到的信源数据进行信道译码；所述步骤c中的秘密信息嵌入算法为一种基于m序列的信道编码信息隐藏算法，以原始信息数据的信道编码码字作为嵌入载体，利用m序列对隐藏信息进行伪随机加扰并且确定其嵌入位置，提取译码后不会影响原始信息数据的结构和统计特性，具体实现步骤如下：(1)首先利用密钥K1产生m序列1：将隐藏信息与这个m序列进行模二加运算，然后进行纠错编码，将经过纠错编码后的隐藏信息码字序列记为m＝(m1,m2,...,mM)；(2)用密钥K2产生另一m序列2：利用此m序列选取隐藏信息的嵌入位置,n2的值由嵌入容量决定；即将经过信道编码的信源数据每比特分为一组，每一组数据中只嵌入一个比特的隐藏信息，随机数si表示在对应码字载体组的第si比特嵌入隐藏信息；嵌入方式采用替换法，即用隐藏信息数据的第si比特替换对应码字载体组的第si比特；n1为传输信道的码字长度，n2为隐藏信息的码字长度；(3)最后将携带隐藏信息的码字载体送入信道进行传输。2.根据权利要求1所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述步骤b中，计算得到隐蔽通信容量采用基于分组码的容量自适应算法、基于RS码的容量自适应算法、基于卷积码的容量自适应算法或基于串行级联码的容量自适应算法。3.根据权利要求2所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述基于分组码的容量自适应算法实现如下：假设信道编码采用分组编码以及直接替代的信息嵌入算法，隐藏信息经过纠错编码嵌入到信源数据经过信道编码后的载体数据当中，进行信道传输，在接收端再进行隐藏信息提取和信道译码，记信道编码参数为(n1,k1)，纠错能力为t1，隐藏信息的纠错编码参数为(n2,k2)，纠错能力为t2，每组信道编码的码字里嵌入m个经纠错编码的隐藏信息的码字，(1)在未嵌入隐藏信息的情况下，计算纠错后的信道编码误比特率为：其中，βi表示经过信道产生i位符号错误时，经纠错后编码码字中错误符号的平均位数；容易知道βi满足：pe是每个比特出错的概率，C是组合数；n1为传输信道的码字长度，k1为传输信道的信息码元位数，n2为隐藏信息的码字长度，k2为隐藏信息的信息码元位数；(2)根据步骤(1)的计算结果得到，信道编码误比特率的上限为：(3)在嵌入m位隐藏信息的情况下，计算纠错后的信道编码误比特率为：其中，j表示隐藏信息对信道编码码字造成的符号错误位数，k表示这j位中因信道而产生的符号错误位数，而记剩下的n1-j位中因信道而产生的符号错误位数为i，此时单个信道编码码字经过信道后错误符号的位数为i+j-k；(4)考虑信源的载体数据在信道译码处经过纠错后，其误比特率小于等于某个阈值T的情况下，隐藏信息能达到的最大嵌入容量，为了保证纠错后的信道编码误比特率小于等于阈值T，只需要满足：(5)对步骤(4)中的式子求解，便能够求出m的最大值；此外，能够得到隐藏信息纠错后的误比特率上限为：根据该式子，按实际需要选择隐藏信息所使用的纠错编码。4.根据权利要求2所述的基于卫星信道编码的自适应隐蔽通信方法，其特征在于：所述基于RS码的容量自适应算法实现步骤如下：(1)记信道采用的RS编码参数为(n1,k1)，纠错能力为t1，码元为Q进制，最小距离为dmin，且参数满足：n1＝Q-1，n1-k1＝2t1，dmin＝2t1+1，该Q进制RS码的Q取成2的幂次，记Q＝2q，隐藏信息的纠错编码采用RS码，参数为(n2,k2)，纠错能力为t2，其中n2＝n1＝Q-1，n2-k2＝2t2，每组Q进制信道编码的码字里嵌入m个经纠错编码的隐藏信息的Q进制码字，计算RS码在纠错后的信道编码误符号率为：其中，信道误符号率p′e＝1-(1-pe)q；pe是每个比特出错的概率，C是组合数；n1为传输信道的码字长度，k1为传输信道的信息码元位数，n2为隐藏信息的码字长度，k2为隐藏信息的信息码...

【专利技术属性】
技术研发人员：马恒太，易小伟，郑昌文，潘辉，李明宇，朱登科，
申请(专利权)人：中国科学院软件研究所，
类型：发明
国别省市：