一种基于矩阵编码的编码层隐秘通信方法

1.本发明涉及通信技术领域，特别是涉及一种基于矩阵编码的编码层隐秘通信方法。


背景技术：

2.现有技术中，在发送端载体信息中嵌入秘密信息时使用矩阵编码的嵌入方式，接收端恢复秘密信息的做法是：根据收发双方约定好的密钥提取出秘密信息，对其进行硬判决，再按照矩阵编码的规则两两比特进行异或，将异或的结果进行秘密信息的硬判决译码。由于发送端采用了矩阵编码的嵌入方式，导致一比特的秘密信息使用两位载体信息来进行传输，在接收端，按照密钥提取的信息，不能直接用于秘密信息的卷积译码，而是需要按照矩阵编码的规则将两两比特进行异或运算后才能进行卷积译码。0,1的比特流可以进行异或运算，而若对接收信息进行量化，量化后的结果不再是0,1比特流，这样的数据不能进行异或运算，这也正是现有技术在使用矩阵编码嵌入方式时，秘密信息的译码只能使用硬判决译码的原因。
3.矩阵编码的嵌入方式会减少秘密信息对载体信息的影响，降低载体信息的误码率，但是如果在接收端使用现有的技术恢复秘密信息，矩阵编码带来的耦合会使秘密信息的误码率升高，降低隐秘通信的可靠性。因此本发明提出了一种基于矩阵编码嵌入方式的软判决维特比译码时的信息量化方法。


技术实现要素：

4.本发明针对在编码层中秘密信息进行硬判决译码时误码率高的问题，提供一种使得秘密信息能够进行软判决译码的基于矩阵编码的编码层隐秘通信方法。
5.本发明的技术解决方案是，提供一种具有以下步骤的基于矩阵编码的编码层隐秘通信方法：含有如下步骤：
6.步骤1、信源信息s进行卷积编码得到载体信息m；
7.步骤2、秘密信息si进行卷积编码得到编码后的秘密信息sc，根据与接收端共享的密钥得到嵌入位置，将编码后的秘密信息sc采用矩阵编码的嵌入方式嵌入到载体信息m中；
8.步骤3、将嵌有秘密信息的载体信息进行调制，发送至接收端；
9.步骤4、隐秘通信接收端的用户通过提前共享的密钥得到载体信息中嵌入秘密信息的位置，提取出嵌有秘密信息的载体信息；
10.步骤5、将步骤4提取到的信息进行量化后进行卷积码的软判决译码。
11.优选地，所述步骤1中信源信息s经卷积编码后用作秘密信息嵌入的载体信息m，信源信息卷积编码的编码方式为(1,2,2)。
12.优选地，所述步骤2中秘密信息si经卷积编码后使用和接收方约定好的密钥按照矩阵编码的嵌入方式嵌入到载体信息m中，编码后的秘密信息记为sc，秘密信息si卷积编码的编码方式为(1,2,2)，
13.其中基于矩阵编码的嵌入方式为：设x1、x2、x3…
为发送端使用密钥从载体中计算出来用于秘密信息传输的比特位，s1、s2…
为要传输的秘密信息，(x1,x2,x3...)记为x,x∈m，sc＝(s1,s2...)，矩阵编码的具体操作如下：
14.且不需要对载体信息做任何改变；
15.且改变载体信息x1；
16.且改变载体信息x3；
17.且改变载体信息x2；
18.上式中矩阵编码的嵌入式方式是以的嵌入密度将秘密信息嵌入到载体信息中去，嵌入密度定义为所要传输的秘密信息的长度和用来传输秘密信息的载体信息的长度之比，在接收端通过提取出编码后的秘密信息，再通过卷积码的软判决译码得到秘密信息。
19.优选地，所述步骤3中将嵌有秘密信息的载体信息调制之后发送出去，信道为高斯信道，调制方式为bpsk。
20.优选地，所述步骤4使用隐秘通信收发双方约定好的密钥提取出嵌有秘密信息的载体信息：
21.x_hat＝(x1_hat,x2_hat,x3_hat...)。
22.优选地，所述步骤5中含有以下分步骤，
23.步骤5.1、对提取出的嵌有秘密信息的载体信息进行量化；
24.步骤5.2、将量化后的信息进行加法操作，提取出编码后的秘密信息；
25.步骤5.3、对提取到的编码后的秘密信息进行函数变换；
26.步骤5.4、将以上步骤获得的信息作为量化信息用于秘密信息的软判决卷积译码。
27.优选地，所述步骤5.1进行量化时，需指定一个参数nsdec，将从信道接收到的原始信息进行量化编码，编码为0则表示该位被判决为0的可信度最高，编码为2
nsdec-1则表示该位被判决为1的可信度最高，其中nsdec取值为3，对提取到的信息x_hat先取出其实部再进行量化，过程如下：
[0028][0029]
xri_hat≤-0.75，编码为xci＝7；
[0030]-0.75＜xri_hat≤-0.5，编码为xci＝6；
[0031]-0.5＜xri_hat≤-0.25，编码为xci＝5；
[0032]-0.25＜xri_hat≤0，编码为xci＝4；
[0033]
0＜xri_hat≤0.25，编码为xci＝3；
[0034]
0.25＜xri_hat≤0.5，编码为xci＝2；
[0035]
0.5＜xri_hat≤0.75，编码为xci＝1；
[0036]
xri_hat＞0.75，编码为xci＝0；
[0037]
上式中i＝1,2,3......，xc＝(xc1,xc2,xc3...)，xc为初步量化的结果；在接收端
秘密信息提取时不是直接将实部小于0的比特位判决为1，实部大于0的比特位判决为0，而是先对每一位嵌有秘密信息的载体信息进行量化编码，编码值代表了该位被判决为0或1的可信度。
[0038]
优选地，所述步骤5.2含有以下步骤，按照矩阵编码的做法，在接收端提取编码后的秘密信息时将嵌有秘密信息的载体信息中的比特位两两进行异或运算得到编码后的秘密信息sc_hat，将异或运算变为加法运算，提取出编码后的秘密信息，即：
[0039][0040]
将(s1_hat,s2_hat,...)记为sc_hat0。
[0041]
优选地，所述步骤5.2中在进行了步骤5.1的操作之后，提取到编码后的秘密信息为0～14之间的整数，而步骤5.1中量化后的结果是0～7之间的整数，步骤5.2提取得到的某信息位是0意味着该位是0 0的结果，14意味着是7 7的结构，7意味着是0 7或者7 0的结果；
[0042]
步骤5.1中提到的用于卷积码软判决译码的信息的要求：被编码为0的比特位意味着该位被判决为0的可信度最高，而编码为7的比特位意味着被判决为1的可信度最高，根据量化原则将上一步加法运算的结果和异或的结果对应起来，0 0与现有的方法中秘密信息提取操作中的对应，7 7与对应，0 7与对应，7 0与对应；
[0043]
步骤5.2中提取到的某信息位是0或14，说明该位在先解调再使用异或的方法提取编码后的秘密信息时提取到的信息是0，同理步骤5.2提取到的某信息位是7，该位在先解调再使用异或的方法提取秘密信息时提取到的信息是1；
[0044]
对于步骤5.2提取的信息是除0,7,14以外的数字的情况，按照就近原则处理，距离0和14的欧式距离近的信息位认为该位是0的可信度大，距离7的欧氏距离近的信息位是认为该位是1的可信度大，因此对步骤5.2初步提取到的编码后秘密信息进行以下函数变化，可得到用于软判决卷积译码的信息：
[0045][0046]
上述公式将7～14之间的整数以7位对称点，对称到0～7之间，如此变换使得编码为0的信息被判决为0的可信度最高，编码为7的被判决为1的可信度最高，经过以上的函数变换提取到了用于软判决卷积译码的信息。
[0047]
优选地，所述所述步骤5.4中的译码方式为维特比软判决译码，由于步骤2中秘密信息的编码方式为(1,2,2)，故约束长度为6，回溯深度的典型值为约束长度的5倍，回溯长度取值为30。
[0048]
与现有技术相比，本发明基于矩阵编码的编码层隐秘通信方法具有以下优点：使用矩阵编码的嵌入方式在卷积码中嵌入秘密信息，减少了秘密信息对载体信息的影响，在接收端使用基于矩阵编码嵌入方式的信息量化方法，使得秘密信息能够进行软判决译码极大地降低秘密信息的误码率，从而提高隐秘通信系统的性能。
[0049]
提出了一种基于矩阵编码嵌入方式的信息量化方法，使得秘密信息能够使用软判决译码，降低秘密信息的误码率，充分发挥矩阵编码嵌入方式的优点，并且解决了矩阵编码
嵌入方式带来的秘密信息误码率升高的问题。
附图说明
[0050]
图1为本发明中隐秘通信系统模型的示意图；
[0051]
图2为本发明的通信系统框图；
[0052]
图3为本发明的实现流程图；
[0053]
图4位本发明的仿真结果图。
具体实施方式
[0054]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
[0055]
下面结合附图和具体实施方式对本发明基于矩阵编码的编码层隐秘通信方法作进一步说明：如图所示，本实施例的技术思路是：在接收端对接收到的信息进行量化，再进行秘密信息的提取，并非对接收到的信息硬判决之后进行秘密信息的提取，后者的做法使得秘密信息只能进行硬判决译码，降低了秘密信息的接收性能。本发明的做法是对密钥提取的信息进行初步量化后，将矩阵编码中的异或运算改成加法运算，提取出用于译码的信息，进一步对提取到的信息进行函数变换，完成秘密信息的整个量化过程，最后对量化后信息进行软判决译码，恢复出秘密信息。
[0056]
根据上述技术思路，以卷积编码为例，实现本发明采取的技术方案，包括如下步骤：
[0057]
(1)信源信息s进行卷积编码得到载体信息m；
[0058]
(2)秘密信息si进行卷积编码得到编码后的秘密信息sc，根据与接收端共享的密钥得到嵌入位置，将编码后的秘密信息sc采用矩阵编码的嵌入方式嵌入到载体信息m中；
[0059]
(3)将嵌入了秘密信息的载体信息进行调制，发送至接收端；
[0060]
(4)隐秘通信接收端的用户通过提前共享的密钥得到载体信息中嵌入秘密信息的位置，提取出嵌有秘密信息的载体信息；
[0061]
(5)将步骤4提取到的信息采用本发明提出的量化方法量化后进行卷积码的软判决译码。
[0062]
(5a)对提取出的嵌有秘密信息的载体信息进行量化；
[0063]
(5b)将量化后的信息进行加法操作，提取出编码后的秘密信息；
[0064]
(5c)对提取到的编码后的秘密信息进行函数变换；
[0065]
(5d)将以上步骤获得的信息作为量化信息用于秘密信息的软判决卷积译码。
[0066]
图1为隐秘通信的应用场景，a是通信中的发送方，b是接收方，w为秘密信息的接收方，w希望在a和b进行通信的同时，a还能与w进行隐秘通信而不被b检测到。a发送给w的秘密信息隐藏在a传输给b的信息中，要想b检测不到隐秘通信的存在，秘密信息需减少对a传输给b的信息的影响，这样才能保证隐秘通信的隐蔽性。
[0067]
图2为本发明的通信系统框图，该图为使用矩阵编码的嵌入方式在卷积码中嵌入秘密信息的通信系统，本发明提出了一种基于矩阵编码嵌入方式的信息量化方法，用于秘密信息的软判决译码。具体的实现步骤如下：
[0068]
(1)信源信息s经卷积编码后，用作秘密信息嵌入的载体信息m，信源信息卷积编码的编码方式为(1,2,2)；
[0069]
(2)秘密信息si经卷积编码后使用和接收方约定好的密钥按照矩阵编码的嵌入方式嵌入到载体信息m中，编码后的秘密信息记为sc，秘密信息si卷积编码的编码方式为(1,2,2)，
[0070]
基于矩阵编码的嵌入方式：
[0071]
设x1、x2、x3…
为发送端使用密钥从载体中计算出来用于秘密信息传输的比特位，s1、s2…
为要传输的秘密信息，(x1,x2,x3...)记为x,x∈m，sc＝(s1,s2...)，矩阵编码的具体操作如下：
[0072]
且不需要对载体信息做任何改变
[0073]
且改变载体信息x1[0074]
且改变载体信息x3[0075]
且改变载体信息x2[0076]
由以上公式可得，矩阵编码的嵌入式方式是以的嵌入密度将秘密信息嵌入到载体信息中去，嵌入密度定义为所要传输的秘密信息的长度和用来传输秘密信息的载体信息的长度之比，例如使用直接嵌入的方式嵌入秘密信息，嵌入密度为1，因为1比特的秘密信息需要1比特的载体信息来传输。使用矩阵编码的嵌入方式时，2比特的秘密信息需要3比特的载体信息来传输，所以矩阵编码的嵌入方式为如果不采用矩阵编码的话，每传输1比特的秘密信息平均修改0.5比特的载体信息，采用矩阵编码后，每传输1比特的秘密信息平均修改0.375比特的载体信息，所以采用矩阵编码的嵌入方式减少了对载体信息的影响。
[0077]
根据公式还可以看出在接收端通过即可提取出编码后的秘密信息，再通过卷积译码得到秘密信息。尽管矩阵编码的嵌入方式能够减少对载体信息的影响，但是会增加秘密信息的误码率，因为对于某些载体信息位如x2，如果在传输过程中发生错误，将会造成两位编码后的秘密信息的错误，进而造成秘密信息误码率升高。本发明提出的基于矩阵编码嵌入方式的信息量化方法，能够使秘密信息使用软判决译码，从而降低秘密信息误码率。
[0078]
(3)将嵌入了秘密信息的载体信息调制之后发送出去，信道为高斯信道，调制方式为bpsk。
[0079]
(4)并不是所有的载体信息都携带秘密信息，只有使用了密钥计算出来的位置才嵌入了秘密信息，所以要提取的是用于秘密信息软判决译码的信息位，那些没有嵌入秘密信息的载体在秘密信息的软判决译码中是冗余的，故使用隐秘通信收发双方约定好的密钥提取出嵌入秘密信息的载体信息x_hat＝(x1_hat,x2_hat,x3_hat...)；
[0080]
(5)接收端进行秘密信息软判决译码的信息量化的方案和发送端秘密信息的嵌入方式有关。根据矩阵编码的规则，在接收端使用和发送端约定好的密钥提取出来的嵌入秘
密信息的载体信息不能直接用于秘密信息的译码，所以使用密钥提取到的信息，需要进行如下一系列的操作，才能进行秘密信息软判决译码：
[0081]
(5a)现有的做法是对上述提取到的嵌入秘密信息的载体信息x_hat进行解调得到0,1的比特流，然后按照矩阵编码的规则，两两异或得到编码后的秘密信息，最后进行硬判决卷积译码，恢复出秘密信息。为了进行软判决译码，不能直接进行解调，因为解调时已将信息位硬判决为0,1的比特流，而对0,1的比特流只能进行硬判决译码，本发明提出的基于矩阵编码嵌入方式的量化方法的第一步是对(4)提取到的信息进行量化：
[0082]
在接收端使用卷积码的维特比软判决译码时，需要指定一个参数nsdec，将从信道接收到的原始信息进行量化编码，如果编码为0则表示该位被判决为0的可信度最高，如果编码为2
nsdec-1则表示该位被判决为1的可信度最高，本发明中nsdec取值为3。
[0083]
对提取到的信息x_hat先取出其实部再进行量化，具体做法如下：
[0084][0085]
xri_hat≤-0.75，编码为xci＝7；
[0086]-0.75＜xri_hat≤-0.5，编码为xci＝6；
[0087]-0.5＜xri_hat≤-0.25，编码为xci＝5；
[0088]-0.25＜xri_hat≤0，编码为xci＝4；
[0089]
0＜xri_hat≤0.25，编码为xci＝3；
[0090]
0.25＜xri_hat≤0.5，编码为xci＝2；
[0091]
0.5＜xri_hat≤0.75，编码为xci＝1；
[0092]
xri_hat＞0.75，编码为xci＝0；
[0093]
以上公式中i＝1,2,3......，xc＝(xc1,xc2,xc3...)，xc为初步量化后的信息；
[0094]
根据以上的量化编码可知，在接收端秘密信息提取时不是直接将实部小于0的比特位判决为1，实部大于0的比特位判决为0，而是先对每一位嵌入了秘密信息的载体信息进行量化编码，编码值代表了该位被判决为0或1的可信度，这样的处理使得后面的变换都是基于量化的结果，从而创造了软判决卷积译码的条件。
[0095]
(5b)按照矩阵编码的做法，在接收端恢复秘密信息时需要将嵌入了秘密信息的载体信息的比特位两两进行异或运算得到编码后的秘密信息sc_hat，(5a)量化编码后的信息不适合进行异或操作，所以此时不能通过异或运算提取出编码后的秘密信息。虽然量化后的信息是0～7的整数，不能进行异或运算，但是可以进行加法运算，对(5a)的结果进行加法运算是为了提取出编码后的秘密信息，用于秘密信息的软判决译码，从而恢复秘密信息，显然加法操作提取出的编码后的秘密信息是0～14的整数，要想使这些信息能用于卷积码的软判决译码还需要进行一些操作，其思想是：保证按照加法运算后的结果进行判决和按照异或运算后的结果进行判决是一致的。故本步骤的操作是将异或运算变为加法运算，即：
[0096]
s1_hat＝xc1 xc2[0097]
s2_hat＝xc2 xc3[0098]
......
[0099]
i＝1,2,3,...
[0100]
将(s1_hat,s2_hat,...)记为sc_hat0；
[0101]
(5c)进一步地，在进行了(5b)的操作之后编码后的秘密信息被提取出来，提取到的信息是0～14之间的整数，但还不能直接进行软判决译码。(5a)中量化后的结果是0～7之间的整数，将其进行(5b)的操作，那么如果(5b)提取得到的某信息位是0意味着该位是0 0的结果，14意味着是7 7的结构，7意味着是0 7或者7 0的结果。(5a)中提到的用于卷积码软判决译码的信息的原则：被编码为0的比特位意味着该位被判决为0的可信度最高，而编码为7的比特位意味着被判决为1的可信度最高。因此将上一步加法运算的结果和异或的结果对应起来：0 0与现有的方法中秘密信息提取操作中的对应，7 7与对应，0 7与对应，7 0与对应。(5b)的提取到的某信息位是0或14，说明该位在先解调再使用异或的方法提取编码后的秘密信息时提取到的信息是0，同理(5b)提取到的某信息位是7，该位在先解调再使用异或的方法提取秘密信息时提取到的信息是1。对于(5b)提取的信息是除0,7,14以外的数字的情况，按照就近原则处理，距离0和14的欧式距离近的信息位认为该位是0的可信度大，距离7的欧氏距离近的信息位是认为该位是1的可信度大。将以上的分析结果写成如下的函数表达式，对(5b)提取到的编码后秘密信息进行此函数变换，便可得到用于软判决卷积译码的信息：
[0102][0103]
上述公式将7～14之间的整数以7位对称点，对称到0～7之间，如此变换使得编码为0的信息被判决为0的可信度最高，编码为7的被判决为1的可信度最高。经过以上的函数变换提取到了用于软判决卷积译码的信息。
[0104]
至此完成了基于矩阵编码的信息量化。
[0105]
(5d)步骤(5c)中提取到的信息用于秘密信息的软判决译码，由于步骤(2)可知秘密信息的编码方式为(1,2,2)，故约束长度为6，回溯深度的典型值为约束长度的5倍，所以回溯长度取值为30。
[0106]
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明：
[0107]
1.仿真条件和内容：
[0108]
本发明的仿真实验是在运行系统为intel(r)core(tm)i5-8400 cpu@2.81ghz，64位windows操作系统的硬件平台进行，仿真软件采用matlab。随机产生长度为9000000、90000的信息序列分别作为信源信息s、秘密信息si，对信源信息s进行卷积编码得到载体信息m，卷积编码结构为(3,[5,7])，秘密信息si进行卷积编码得到编码后的秘密信息sc，卷积编码结构为(3,[5,7])，使用矩阵编码的嵌入方式将编码后的秘密信息sc嵌入到载体信息m中，嵌入率为0.01，嵌入率为嵌入秘密信息的载体信息调制后经过高斯信道传输，调制方式为bpsk，接收端的载体信息和秘密信息的译码都是维特比译码，由于载体信息和秘密信息的卷积编码结构相同，且约束长度均为6，所以维特比译码时的回溯深度取为30，秘密信息使用本发明中提取到的量化方法进行软判决译码。
[0109]
2.仿真结果分析：
[0110]
图4为仿真结果图，在该图中可以看出，利用本发明提出的量化方法进行的卷积码
的软判决译码的误码率明显低于硬判决译码的误码率，说明本发明提出的量化方法能够成功地对使用矩阵编码嵌入方式嵌入的编码后的秘密信息进行量化，进而进行秘密信息的软判决译码，解决了基于卷积码的物理层隐秘通信中使用矩阵编码的嵌入方式造成秘密信息的误码率升高的问题。
[0111]
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。