[發明專利]面向4G通信的物理層數字水印方法

有效

• 申請號: 201911066084.8
• 申請日: 2019-11-04
• 公開（公告）號: CN110909321B
• 公開（公告）日: 2023-05-26
• 發明（設計）人: 劉員都;陸明;劉偉偉;劉光杰;吉小鵬
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G06F21/16
• 分類號: G06F21/16
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 陳鵬

本發明公開了一種面向4G通信的物理層數字水印方法，該方法利用共享密鑰和信道具有短時互異性的優勢，在發送方利用4G通信中利用導頻信號由信道估計得到的估計值和預先共享的密鑰，通過單向哈希函數對數據包中每個數據字段生成數字水印信息，經擴頻處理得到標簽信號，將標簽信號嵌入載體信號中并將疊加的信號發送給接收方；在接收方檢測并提取出水印數據得到水印信息，對導頻信號重新計算水印信息，通過判斷兩次數字水印信息是否相同，判斷數據是否來自同一發送方。本發明將安全認證信息調制在無線載波信號中，不需要復雜的密碼算法，減小了通信過程中的計算量，在不犧牲消息吞吐量的情況下實現了載體信號和水印信號誤碼性能的提高。

技術領域

本發明涉及數字水印技術領域，特別是一種面向4G通信的物理層水印方法。

背景技術

在數字水印系統中，用于數字水印嵌入的載體是隨著時代的發展而不同的，而且該改變與人類的通信方式息息相關。隨著人類社會的進步和科技的發展，無線通信技術正在不斷改變人們的生活和工作方式，無線通信網絡成為人們日常生活不可或缺的一部分。特別是最近幾年，無線通信技術進入了一個更新換代的蓬勃發展時期，各種無線通信新技術不斷涌現并逐步走向成熟。鑒于無線媒介的廣播特性，其信息傳輸的安全性一直備受關注。作為加密技術的一種補充，物理層安全成為一種新的研究方向。

馬里蘭大學Baras團隊提出了一種基于物理層的數字水印技術，將應用層的認證信息隱藏到信號的幅度或相位信息中，從而節約頻帶資源，提高資源利用率，并進一步該方法運用到多載波和多天線系統中，并在無線電平臺上進行了驗證。Goergen在認知無線電的研究中應用信號水印，用于免授權頻段的多種無線系統共存，可以在不影響頻段原有授權者使用情況下，盡最大可能利用空閑時的頻譜進行通信，并進一步推廣到MIMO環境下。在大多數現有方案中，將水印信號添加到載體信號中的方式是使水印信號對載體信號而言就像噪聲一樣，我們稱此方法為“盲信號疊加方法”。在這樣的方法中，由于水印信號的存在，當載體信號被解碼時會導致載體信號的信噪比降低。因此，在載體信號的SNR和水印信號的SNR之間存在一個基本的權衡。這意味著，當水印信號的SNR增加到足以對接收信號進行身份認證的水平時，載體信號的SNR就會顯著下降。

發明內容

本發明的目的在于提供一種面向4G通信的物理層數字水印方法，在物理層實現數字水印的嵌入，節約頻帶資源，提高資源利用率。

實現本發明目的的技術解決方案為：一種面向4G通信的物理層數字水印方法，用于對無線通信中數據的安全認證，包括發送方進行水印信息的嵌入和接收方進行水印信息的提取兩個部分，具體步驟如下：

(1)發送方進行數字水印的嵌入：

發送方讀取接收的導頻信號，進行信道估計，獲得信道估計值h_rs；

利用信道估計值h_rs和預先共享的密鑰k，用Hash表示密鑰函數，通過單向哈希函數對數據包中每個數據字段生成唯一關聯的數字水印信息，表示為w＝Hash(k,h_rs)；

將得到的數字水印信息w經過擴頻處理得到標簽信號s_S；

將擴頻后的標簽信號s_S利用內縮外擴的水印方法嵌入到載體信號S_t中得到載密信號x；

通過射頻設備USRP將嵌入數字水印的載密信號x變為射頻信號并發送；

(2)接收方進行數字水印的提取：

接收方通過射頻設備得到4G信號中嵌入數字水印的載密信號；

對嵌入數字水印的載密信號進行解擴處理，檢測并提取出水印數據，得到水印信息w′；

對導頻信號重新計算水印信息，表示為w″；

計算兩個水印之間的相關系數