基于S变换的物理层信号水印嵌入方法技术

本发明专利技术公开了一种基于S变换的物理层信号水印嵌入方法，包括如下内容：物理层信号水印嵌入；物理层信号水印恢复；通过假设检验方法对信号的真实性进行验证。与现有技术相比，本发明专利技术的积极效果是：本发明专利技术基于物理层信号水印的身份认证方案，实现了S变换的物理层水印信号嵌入方法，具有如下优点：避免频谱泄露，接收方不会将其视作异常信号；隐蔽性意味着认证不能被窃听者容易地估计得到。

Watermarking Embedding Method of Physical Layer Signal Based on S-Transform

The invention discloses a physical layer signal watermarking embedding method based on S-transform, which includes the following contents: physical layer signal watermarking embedding; physical layer signal watermarking recovery; and verifying the authenticity of the signal by hypothesis testing method. Compared with the prior art, the positive effect of the present invention is that the identity authentication scheme based on physical layer signal watermarking realizes the embedding method of S-transform physical layer watermarking signal, which has the following advantages: avoiding spectrum leakage, the receiver will not regard it as abnormal signal; concealment means that authentication cannot be accepted by eavesdroppers; Easy to estimate.

【技术实现步骤摘要】
基于S变换的物理层信号水印嵌入方法
本专利技术涉及一种基于S变换的物理层信号水印嵌入方法。
技术介绍
随着科技的发展，无线通信设备急剧增加，各种新型的无线通信网络也正在逐步走向成熟。随着无线网络用户的急剧增加以及无线网络应用范围的不断增大，人们对无线通信的安全性深感忧虑。而无线通信系统中传输媒介的开放性、无线终端的移动性和网络结构的不稳定性也使得传输的可靠性和安全性面临着严峻的考验。无线通信，因其天然的开放性和广播性特点，极易受到窃听和干扰等安全威胁。在目前的无线通信网络中，传统的加密机制，以密钥管理、完整性检测技术、身份认证、数字签名等技术为主的现代密码学体制，是目前无线通信网络中保障信息安全的主要手段。传统上，无线通信网络的安全机制建立在计算密码学方法的基础上，通过网络上层协议保证安全性。破解密钥所需的极高计算复杂度保证了加密算法的有效性。一方面，无线通信系统受限的计算环境及不稳定的通信环境，使得无线通信系统在选用加密技术时必须考虑能够适应其特点的加密算法，从而对加密技术提出了特殊要求，并且随着计算机运算能力与运算速度的提升，这种建立在计算复杂度上的密钥安全性正逐渐受到挑战。而另一方面，随着下一代无线网络呈现出的异构性、多样性、节点的移动性和拓扑结构的动态性等特点，密钥的在线分发与认证管理过程本身也存在安全风险。近年来，从物理层的角度对无线通信安全性的研究正蓬勃发展。物理层安全技术已成为无线通信领域的一个研究热点。物理层信号水印或指纹是将秘密的安全认证编码或标签与主传输消息一起传输的一种机制，具有高安全性，不影响数据传输吞吐率等特点。与本专利技术相关的现有技术有：1.S变换相关理论S变换最早由Stockwell等人提出，它是小波变换和短时傅立叶变换的继承和发展，既有小波变换多分辨率分析的特点，又有短时傅立叶变换单频率独立分析的能力，同时避免了二者窗函数选择的问题。S变换可看成是小波变换的“相位修正”，也可从短时傅里叶变换演变而来，信号h(t)的S变换定义为：式中:t为时间，f是频率，j为虚数单位，τ是高斯窗函数的中心位置。由式(1)可以看出，S变换与短时傅立叶变换的不同之处在于高斯窗的高度和宽度随频率而变化，这样就克服了短时傅立叶变换窗口高度和宽度固定的缺陷。S变换也可以写成两个函数的卷积:其中：p(t,f)＝h(τ)e-j2πft设B(α,f)是S(τ,f)的傅立叶变换(从τ到α)，由卷积定理可知：B(α,f)＝P(α,f)G(α,f)(3)其中P(α,f)，G(α,f)分别是p(τ,f)和G(τ,f)的傅立叶变换，显然：其中H(α+f)是(3)式的傅立叶变换，指数项是(4)式的傅立叶变换。因此，S变换可由上式的傅立叶反变换得到(从α到τ)：故S变换可以利用快速傅立叶变换实现快速计算。令:τ→mT，f→n/NT(T为采样周期，N为采样总点数)，根据上式可得到S变换的离散形式为：其中H[k]为时间序列h(m)的离散傅立叶变换，即利用公式(2)对信号进行S变换，其结果为一个二维时频复矩阵，矩阵的行对应频率，列对应时间。2.基于信号水印的无线网络物理层用户认证方法物理层信号水印或指纹是将秘密的安全认证编码或标签与主传输消息一起传输的一种机制。Baras等提出了通过对信号星座图的低功率扰动的广义信号水印方案(“Physical-layerauthentication,”IEEETrans.Inf.ForensicsSecurity,Mar.2008,vol.3,no.1,pp.38-51.)，其基本思想是在承载数据信息的波形上叠加一个精心设计的秘密调制信息，以此来向信号中加入认证信息，而又不需要增加额外的带宽。Samee等设计了一种在物理层认证射频信号的水印机制(Authenticationandscramblingofradiofrequencysignalsusingreversiblewatermarking.InProceedingsofthe5thInternationalSymposiumonCommunications,ControlandSignalProcessing,ISCCSP2012,Rome,Italy,May2012,pp.2-4.)，该机制是基于码分多址接入(CodeDivisionMultipleAccess，CDMA)来实现的。每个水印比特在算数上加到调制后的数据比特上，在解调之前可以采用相同的扩频码来提取出这些水印比特；也就是说，接收端可以在解调之前认证信号，移除水印比特后，接收端又可以得到发送端原始发送的数据。如果增加水印比特的密度，则该机制可以视为一种加扰器。但是，物理层信号水印方案需要把认证的信息加入到正常的通信过程中，而不能初始化一个安全的通信环境，在一个非安全的通信环境下传输信息，可能会造成资源的浪费。随着无线通信技术的快速发展和移动应用的日益增加，保证无线通信的安全性变得越来越重要，也越来越困难。与有线网络相比，确保无线网络的安全性面临着更大的挑战，这主要是由于无线媒介的广播特性导致的，因此攻击端能够较容易地从无线通信的信道中窃听或插入信息。在众多的无线网络攻击形式中，基于身份的攻击是攻击端常用的攻击手段，同时也会极大的降低网络的性能。
技术实现思路
为了克服现有技术的上述缺点，本专利技术提供了一种基于S变换的物理层信号水印嵌入方法，借鉴图像数字水印方法，基于物理层标签信号和消息信号特点，通过S变换将标签信号和消息信号变换到时间-频域中，在时频域中，在消息信号中嵌入标签信号，具有很好的隐蔽性，同时不会导致频谱泄露，进而提高了无线网络物理层用户认证系统的安全性能。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于S变换的物理层信号水印嵌入方法，包括如下内容：(一)物理层信号水印嵌入：步骤一、对消息信号si和标签信号ti进行S变换，得到消息信号的S变换系数S1(τ,f)和S2(τ,f)；步骤二、在消息信号的能量范围上叠加标签信号ti，得到叠加后的S变换系数S0(τ,f)；步骤三、对S变换系数S0(τ,f)进行逆S变换，得到标记信号xi；(二)物理层信号水印恢复：步骤一、对估计标记信号进行S变换得到S变换系数SC(τ,f)，然后根据先验的标签信号t进行S变换得到t变换系数S4(τ,f)；步骤二、估计消息信号的S变换系数S5(τ,f)；步骤三、对S5(τ,f)进行逆S变换，获得消息信号的估计根据和标签产生函数，得到标签信号的估计(三)通过假设检验方法对信号的真实性进行验证。与现有技术相比，本专利技术的积极效果是：本专利技术基于物理层信号水印的身份认证方案，实现了S变换的物理层水印信号嵌入方法，具有如下优点：(1)避免频谱泄露，接收方不会将其视作异常信号；(2)隐蔽性意味着认证不能被窃听者容易地估计得到。附图说明本专利技术将通过例子并参照附图的方式说明，其中：图1为安全场景示意图；图2为S变换示意图；图3为标记信号的添加示意图；图4为接收框架示意图；图5为TNR＝0时，二值标签的累积量分布函数；图6为TNR＝-10时，二值标签的累积量分布函数。具体实施方式考虑如图1所示的存在窃听节点的无线通信网络场景，其中网络中4个节点共享无线介质。当Carol和Eve侦听信道时，Alice使用参本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于S变换的物理层信号水印嵌入方法，其特征在于：包括如下内容：(一)物理层信号水印嵌入：步骤一、对消息信号si和标签信号ti进行S变换，得到消息信号的S变换系数S1(τ,f)和S2(τ,f)；步骤二、在消息信号的能量范围上叠加标签信号ti，得到叠加后的S变换系数S0(τ,f)；步骤三、对S变换系数S0(τ,f)进行逆S变换，得到标记信号xi；(二)物理层信号水印恢复：步骤一、对估计标记信号

【技术特征摘要】
1.一种基于S变换的物理层信号水印嵌入方法，其特征在于：包括如下内容：(一)物理层信号水印嵌入：步骤一、对消息信号si和标签信号ti进行S变换，得到消息信号的S变换系数S1(τ,f)和S2(τ,f)；步骤二、在消息信号的能量范围上叠加标签信号ti，得到叠加后的S变换系数S0(τ,f)；步骤三、对S变换系数S0(τ,f)进行逆S变换，得到标记信号xi；(二)物理层信号水印恢复：步骤一、对估计标记信号进行S变换得到S变换系数S3(τ,f)，然后根据先验的标签信号t进行S变换得到t变换系数S4(τ,f)；步骤二、估计消息信号的S变换系数S5(τ,f)；步骤三、对S5(τ,f)进行逆S变换，获得消息信号的估计根据和标签产生函数，得到标签信号的估计(三)通过假设检验方法对信号的真实性进行验证。2.根据权利要求1所述的基于S变换的物理层信号水印嵌入方法，其特征在于：对信号进行S变换的公式为：式中:t为时间，f是频率，j为虚数单位，τ是高斯窗函数的中心位置。3.根据权利要求1所述的基于S变换的物理层信号水印嵌入方法，其特征在于：所述消息信号的能量范围是指消息信号在S变换频率-时间平面上的能量分布范围，根据消息信号si的带宽信息进行确定。4.根据权利要求1所述的基于S变换的物理层信...

【专利技术属性】
技术研发人员：田永春，谭齐，赵太银，
申请(专利权)人：中国电子科技集团公司第三十研究所，
类型：发明
国别省市：四川,51