一种隐蔽语义通信方法及系统与流程

本发明属于通信，具体涉及一种隐蔽语义通信方法及系统。

背景技术：

1、在物联网、无人系统、移动终端、应急通信和军事通信等场景中，大量敏感信息需要经无线链路传输。传统加密技术能够保护通信内容，但通信行为本身仍可能被外部监测者发现，从而暴露通信双方的存在、位置或任务状态。因此，仅隐藏内容而不隐藏通信行为难以满足高安全场景的需求。

2、隐蔽通信的目标是在监测端难以判断通信是否发生的条件下传递信息。现有隐蔽通信方案常将隐蔽信号埋入背景噪声或合法业务中，但在实际无线环境中仍存在三类问题：其一，隐蔽信号功率受限导致传输速率和语义恢复质量不足；其二，真实无线信道存在时变衰落，awgn等理想假设下得到的隐蔽性容易失效；其三，若接收端依赖精确信道状态信息进行抵消或解调，在rayleigh、rician等慢衰落环境下会显著增加系统复杂度并降低鲁棒性。

3、深度联合信源信道编码能够将图像等数据直接映射为适合信道传输的连续符号，在低信噪比下具有较好的语义保持能力；生成对抗网络能够通过分布匹配生成统计上接近目标分布的信号。若能将二者结合，并设计显式公开信号与隐蔽信号共存的传输架构，则有望在保证公开通信链路可用的同时提升隐蔽通信的抗检测能力和重构质量。现有技术尚缺少一种面向时变衰落信道、可在无需精确csi条件下恢复隐蔽信息、并通过伪噪声占位实现业务存在/不存在状态统计一致的部分隐蔽通信方案。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明提供了一种隐蔽语义通信方法及系统，该方法在发送端配置标准功率天线与低功率天线，标准功率天线发送公开的qpsk显式信号，低功率天线根据是否存在隐蔽业务发送由语义编码器和隐蔽信号生成器得到的隐蔽信号，或发送与隐蔽信号同功率约束的伪噪声；将隐蔽信号或伪噪声执行分块、补齐并与显式信号在同一时隙叠加，经无线信道传输形成复合接收信号。接收端在无需精确csi的条件下，基于接收符号i/q分量平均幅值计算平均半径，并将复合接收符号按比例向原点收缩以恢复隐蔽分量，再由语义解码器重构原始数据。训练阶段引入监测端判别网络，采用wgan-gp框架对隐蔽信号分布与伪噪声分布进行对抗匹配，并结合重构损失联合优化发送端与接收端，使隐蔽信号在统计分布上接近伪噪声，同时保持接收端重构质量与公开通信链路可用性。

2、本发明解决其技术问题所采用的技术方案如下：

3、步骤1：获取待隐蔽传输的数据，并通过发送端的语义编码及隐蔽信号生成网络生成复数隐蔽信号；

4、步骤2：在发送端配置标准功率天线与低功率天线，所述标准功率天线用于发送显式qpsk信号；所述低功率天线在存在隐蔽业务时发送复数隐蔽信号，在不存在隐蔽业务时发送伪噪声；

5、步骤3：对隐蔽信号或伪噪声执行分块与补齐，得到与单个时隙可发送符号数相匹配的块信号；

6、步骤4：将块信号与显式qpsk信号在相同或对应时隙中叠加并经无线信道传输，得到复合接收信号；

7、步骤5：接收端基于复合接收信号的同相分量与正交分量的平均幅值计算平均半径，并在无需预先获取或显式估计精确信道状态信息csi（channel state information）的条件下按比例恢复隐蔽块信号；对隐蔽块信号去除补齐符号并拼接得到恢复隐蔽序列，经语义解码网络得到重构数据；

8、步骤6：训练阶段通过监测端的判别网络区分隐蔽信号分布与伪噪声分布，并基于对抗损失与重构损失联合优化、和，使隐蔽信号在统计分布上逼近伪噪声。

9、优选地，所述复数隐蔽信号为：

10、

11、其中，；数据维度，其中、、分别表示通道数、高度和宽度。

12、优选地，所述分块与补齐包括将复数隐蔽信号按每块个复数符号划分为多个隐蔽块，当最后一块不足个符号时，使用服从复高斯分布的伪噪声补齐；不存在隐蔽业务时，低功率天线发送由构成的纯噪声块；

13、块信号表示为：

14、

15、其中，表示复数隐蔽信号中的第个复数符,i=1,2,…,k；k表示复数隐蔽信号所包含的复数符号总数；n表示单个时隙能够发送的复数符号数；当k不能被n整除时，最后一个隐蔽块中不足n个符号的部分使用伪噪声补齐；

16、在不存在隐蔽业务时，低功率天线不保持静默，而是发送由伪噪声构成的纯噪声块，以模拟发送端硬件噪声或低功率背景扰动，显式qpsk信号表示为：

17、

18、其中，表示一个时隙内发送的第i个显式 qpsk 复数调制符号，i=1,2,…,n；各从预设的 qpsk 星座符号集合中选取；

19、显式qpsk信号与隐蔽块信号在对应时隙中叠加，形成复合发送信号：

20、

21、在无线信道中，复合接收信号统一表示为：

22、

23、其中，为信道系数，为加性复高斯噪声。

24、优选地，所述步骤5具体为：

25、采用基于平均半径的径向恢复方法；

26、首先，接收端计算复合接收符号同相分量和正交分量的平均绝对值：

27、

28、其中，表示参与统计的复数接收符号总数；表示接收符号的同相分量，表示表示接收符号同相分量绝对值的平均值，表示接收符号的正交分量，表示接收符号正交分量绝对值的平均值；

29、随后计算接收星座点的平均半径：

30、

31、对任一接收符号，记瞬时幅值为：

32、

33、则将该接收符号沿径向按比例向原点收缩，得到恢复后的隐蔽块分量：

34、

35、对恢复块去除补齐符号并按顺序拼接后，得到恢复隐蔽序列：

36、

37、其中，为语义解码网络，为重构数据。

38、优选地，所述步骤6具体为：

39、监测端接收同一复合信号，并通过参数为的判别网络输出判决统计量：

40、

41、判决规则为：当时，监测端判定存在隐蔽信号；否则判定为正常信号；为阈值；

42、采用wgan-gp框架进行训练，发送端的隐蔽性损失定义为：

43、

44、其中，表示对服从隐蔽信号接收分布的复合接收信号进行数学期望运算；表示存在隐蔽业务时复合接收信号的概率分布；

45、接收端的重构损失定义为：

46、

47、其中，表示当前训练批次中的输入样本集合，表示对当前训练批次中的输入样本进行平均期望运算；表示原始输入数据，表示接收端语义解码网络输出的重构数据，表示输入数据维度；

48、发送端的总损失为：

49、

50、其中，与均为权重系数；

51、接收端的训练损失为：

52、

53、监测端的wgan-gp损失为：

54、

55、其中，表示伪噪声接收分布，表示真实分布与生成分布之间插值得到的样本分布，为梯度惩罚权重；

56、监测端逼近1-lipschitz判别器以估计与之间的wasserstein距离，发送端通过最小化使向靠近。

57、优选地，所述训练阶段采用交替优化策略，在每个训练循环中先更新监测端判别网络至少一次，再更新发送端与接收端网络，以在隐蔽性与重构质量之间形成对抗均衡。

58、优选地，通过jensen-shannon散度、wasserstein距离、willie检测准确率、公开qpsk链路误码率和重构质量中的至少一种指标对所述隐蔽语义通信方法进行评估或参数选择。

59、优选地，所述伪噪声与隐蔽信号具有相同的平均功率约束，使低功率天线在隐蔽业务存在与不存在两种状态下呈现一致的功率模式。

60、优选地，所述无线信道包括awgn信道、rayleigh慢衰落信道、rician慢衰落信道或其组合。

61、一种隐蔽语义通信系统，包括：发送端、接收端和监测端；

62、所述发送端包括标准功率天线、低功率天线、语义编码及隐蔽信号生成模块、伪噪声发生模块、分块填充模块和显隐叠加发送模块；

63、所述接收端包括复合信号接收模块、无需精确csi的隐蔽分量恢复模块和语义解码模块；

64、所述监测端包括判别网络模块和阈值判决模块。

65、本发明的有益效果如下：

66、1）通过标准功率天线发送公开qpsk信号、低功率天线发送隐蔽信号或伪噪声的双天线结构，将隐蔽通信隐藏于合法通信背景下，降低监测端的检测概率。

67、2）低功率天线在无隐蔽业务时仍发送伪噪声，占位信号与隐蔽信号功率一致并通过对抗训练进行分布匹配，能够避免“有业务/无业务”状态之间产生明显统计差异。

68、3）接收端采用基于i/q平均幅值和平均半径的径向恢复方法，在无需精确瞬时csi的条件下恢复隐蔽分量，适用于awgn、rayleigh和rician等信道。

69、4）将deepjscc式语义编码与wgan-gp式对抗分布匹配结合，在保持图像等语义数据重构质量的同时提高隐蔽性。

70、5）通过发送端"snr" 、信道"snr" 、重构损失权重、隐蔽性损失权重等参数，可在公开链路"ber" 、隐蔽检测准确率和重构"psnr" 之间进行工程化调节。