曹鵬程，劉偉偉，劉光杰，2，茅偉偉，戴躍偉，2

(1.南京理工大學(xué) 自動(dòng)化學(xué)院，江蘇 南京 210094；2.南京信息工程大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，江蘇 南京 210044)

隨著4G移動(dòng)通信的廣泛普及，無(wú)線通信已經(jīng)成為人們接入互聯(lián)網(wǎng)的主流通信方式，其安全性也受到無(wú)線竊聽等行為的威脅。作為信息隱藏技術(shù)在無(wú)線通信領(lǐng)域的分支，無(wú)線隱信道將秘密信息隱藏到正常的無(wú)線通信過(guò)程中傳輸，避免引起第三方注意來(lái)保護(hù)通信安全[1]。相較于加密[2]、擴(kuò)頻通信[3]、方向調(diào)制[4]等技術(shù)，無(wú)線隱信道給無(wú)線通信安全保障帶來(lái)了更多技術(shù)選擇，因此獲得了越來(lái)越多研究者的關(guān)注。

無(wú)線隱信道利用通信網(wǎng)絡(luò)層級(jí)的不同，可分為鏈路層與物理層無(wú)線隱信道。鏈路層無(wú)線隱信道將秘密信息嵌入鏈路層協(xié)議冗余字段中[5-6]，是由于鏈路層協(xié)議的規(guī)律性易被匹配算法檢測(cè)到[7]。而物理層無(wú)線隱信道利用信道編碼[8-9]、調(diào)制[10-11]和正交頻分復(fù)用(Orthogonal Frequency Division Multiplexing，OFDM)[12-13]等過(guò)程中的冗余傳輸秘密信息，其中調(diào)制類無(wú)線隱信道將秘密信息轉(zhuǎn)化為人工噪聲疊加在正常信號(hào)上傳輸，具有最高的傳輸速率和最廣的應(yīng)用范圍，成為主流的無(wú)線隱信道類型。最新的基于星座圖擬形調(diào)制的無(wú)線隱信道將秘密信息直接調(diào)制成與正常信道噪聲分布相同的人工噪聲傳輸，具有很好的抗檢測(cè)性與可靠性[14]。隨著多天線技術(shù)的發(fā)展，多輸入多輸出(Multiple In Multiple Out，MIMO)場(chǎng)景已成為無(wú)線隱信道的重要實(shí)現(xiàn)場(chǎng)景。當(dāng)前研究中，一種多輸入多輸出無(wú)線隱信道方法則通過(guò)同時(shí)修改傳遞信道狀態(tài)信息(Channel State Information，CSI)的控制信號(hào)和數(shù)據(jù)信號(hào)，來(lái)嵌入秘密信息[15]。該方法僅適用于信道狀態(tài)信息能夠在每個(gè)符號(hào)周期內(nèi)傳遞一次的多輸入多輸出場(chǎng)景，應(yīng)用范圍極小。最新的基于特征值復(fù)用的多輸入多輸出無(wú)線隱信道，根據(jù)信道狀態(tài)信息矩陣的特征值，在部分天線上疊加秘密信號(hào)與隨機(jī)噪聲，來(lái)提高可靠性[16]。該方法缺乏抵御統(tǒng)計(jì)檢測(cè)工具的考慮。

筆者對(duì)多輸入多輸出無(wú)線隱信道的系統(tǒng)模型進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)了檢測(cè)方獲取的多路信號(hào)之間存在相關(guān)性，因此將信號(hào)相關(guān)系數(shù)引入隱信道抗檢測(cè)性指標(biāo)。提出一種基于預(yù)編碼的多輸入多輸出無(wú)線隱信道，來(lái)去除多路信號(hào)之間的相關(guān)性。假設(shè)發(fā)送方與檢測(cè)方能同時(shí)獲得兩者之間的信道狀態(tài)信息，發(fā)送方可以利用該信道狀態(tài)信息對(duì)生成的人工噪聲進(jìn)行預(yù)編碼處理，使得檢測(cè)方接收到的各路信號(hào)之間不相關(guān)。仿真結(jié)果表明，所提多輸入多輸出無(wú)線隱信道與基于特征值復(fù)用的現(xiàn)有方法相比，去除了檢測(cè)方接收到的多路信號(hào)之間的相關(guān)性，有效提高了抗檢測(cè)性，同時(shí)可靠性有了一定的提高。

1 MIMO無(wú)線隱信道模型及現(xiàn)有方法

1.1 系統(tǒng)模型

以最常見的2×2多輸入多輸出通信為例，多輸入多輸出無(wú)線隱信道系統(tǒng)模型如圖1所示。

圖1 MIMO無(wú)線隱信道系統(tǒng)模型

圖1中，無(wú)線隱信道依附在正常多輸入多輸出通信過(guò)程中。發(fā)送方Alice將載體信息調(diào)制成2路載體信號(hào)sc1和sc2，同時(shí)也將秘密信息調(diào)制成2路人工噪聲ss1和ss2，隨后疊加在載體信號(hào)上生成2路載密信號(hào)sct1=sc1+ss1，sct2=sc2+ss2，分別通過(guò)對(duì)應(yīng)天線發(fā)送出去。這些載密信號(hào)在傳輸過(guò)程中相互疊加并受到信道噪聲干擾。其中“發(fā)送方—接收方” 信道狀態(tài)信息矩陣可表示為

(1)

接收方Bob得到2路復(fù)合載密信號(hào)srm1=hsr，11sct1+hsr，12sct2+nr1和srm2=hsr，21sct1+hsr，22sct2+nr2，這里nr1和nr2為加性噪聲信號(hào)。Bob其可根據(jù)正常多輸入多輸出通信中傳輸?shù)摹鞍l(fā)送方—接收方” 信道狀態(tài)信息矩陣通過(guò)線性迫零法還原出2路載密信號(hào)，隨后從中解調(diào)出載體信息和秘密信息。

若通信區(qū)域內(nèi)存在具有2根天線的檢測(cè)方Willie，它也能接收到2路復(fù)合載密信號(hào)。為了判斷隱信道是否存在，Willie需將這2路復(fù)合載密信號(hào)進(jìn)行還原。由于多輸入多輸出無(wú)線隱信道添加的人工噪聲功率較小，現(xiàn)有的獨(dú)立向量分析等盲信號(hào)分離方法導(dǎo)致的分離誤差會(huì)干擾最終檢測(cè)結(jié)果。假設(shè)發(fā)送方收到來(lái)自接收方或檢測(cè)方的導(dǎo)頻序列后，估計(jì)出信道狀態(tài)信息并向其反饋回去，此時(shí)檢測(cè)方和發(fā)送方都能獲得兩者之間的信道狀態(tài)信息。檢測(cè)方獲得了該信道狀態(tài)信息后，可以通過(guò)線性迫零法從復(fù)合載密信號(hào)中分離出各路載密信號(hào)，進(jìn)而解調(diào)出載體信息。

檢測(cè)方可以從載密信號(hào)中移除對(duì)應(yīng)的載體信號(hào)成分，得到殘差信號(hào)進(jìn)行測(cè)試。與單天線無(wú)線隱信道不同的是，多輸入多輸出場(chǎng)景中的檢測(cè)方能夠獲得信號(hào)還原前后的多路殘差信號(hào)，需選取合適的殘差信號(hào)作為檢測(cè)對(duì)象。這里，“發(fā)送方—檢測(cè)方” 信道狀態(tài)信息矩陣可表示為

(2)

(3)

(4)

若隱信道存在，則檢測(cè)方提取的兩路復(fù)合殘差信號(hào)以及兩路殘差信號(hào)為

(5)

(6)

根據(jù)信道噪聲之間的獨(dú)立性，式(3)中的復(fù)合殘差信號(hào)不相關(guān)，而式(5)中的復(fù)合殘差信號(hào)具有相同的人工噪聲成分因而相關(guān)。式(4)和(6)中的殘差信號(hào)均相關(guān)。因此，檢測(cè)方根據(jù)相關(guān)性差異選取復(fù)合殘差信號(hào)作為檢測(cè)對(duì)象。假設(shè)檢測(cè)方知道正常信道噪聲的大致分布特性，它還可以通過(guò)衡量復(fù)合殘差信號(hào)與正常信道噪聲的分布差異對(duì)隱信道進(jìn)行檢測(cè)。

1.2 性能指標(biāo)

通過(guò)固定通信速率下的抗檢測(cè)性和可靠性指標(biāo)來(lái)衡量多輸入多輸出無(wú)線隱信道的性能。其中，抗檢測(cè)性指標(biāo)除了衡量分布差異的KL散度和KS距離[17]，還包括多路復(fù)合殘差信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)；可靠性指標(biāo)為接收方得到的各路秘密信息誤比特率。

(7)

1.3 基于特征值復(fù)用的MIMO無(wú)線隱信道

(8)

其中，sc1和sc2為載體信號(hào)，ss為秘密信息調(diào)制得到的秘密信號(hào)，sr1和sr2為隨機(jī)噪聲信號(hào)，它們用以掩飾秘密信號(hào)的存在。由式(8)可知，該方法秘密信息通信速率為所有天線均進(jìn)行嵌入的隱信道的一半。

2 基于預(yù)編碼的MIMO無(wú)線隱信道

常見的多輸入多輸出通信場(chǎng)景下，發(fā)送方與檢測(cè)方之間的信道狀態(tài)信息不發(fā)生變化或變化緩慢。因此，發(fā)送方可以利用該信道狀態(tài)信息對(duì)秘密信息調(diào)制成的人工噪聲進(jìn)行預(yù)編碼處理，以去除檢測(cè)方獲得的各路復(fù)合殘差信號(hào)的相關(guān)性。同樣以最常見的2×2多輸入多輸出通信為例，基于預(yù)編碼的多輸入多輸出無(wú)線隱信道框架如圖2所示，假設(shè)載體信息以QPSK方式進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，信號(hào)還原處理采用線性迫零法。

圖2 基于預(yù)編碼的MIMO無(wú)線隱信道框架

筆者所提預(yù)編碼方法也可應(yīng)用于天線數(shù)更多的多輸入多輸出通信場(chǎng)景；由于預(yù)編碼過(guò)程為線性映射，計(jì)算復(fù)雜度也將隨著天線數(shù)量增加而線性增大。具體人工噪聲調(diào)制和秘密信息解調(diào)過(guò)程如下。

2.1 基于預(yù)編碼的人工噪聲調(diào)制

(9)

(10)

(11)

編碼后人工噪聲疊加在對(duì)應(yīng)的載體信號(hào)上，生成載密信號(hào)傳輸。此時(shí)，檢測(cè)方提取得到的復(fù)合殘差信號(hào)為

(12)

2.2 接收方載密信號(hào)還原與秘密信息解調(diào)

接收方得到經(jīng)由多輸入多輸出信道傳輸?shù)膬陕窂?fù)合載密信號(hào)后，首先采用線性迫零法對(duì)接收到的兩路復(fù)合載密信號(hào)smct1和smct2進(jìn)行信號(hào)還原：

(13)

(14)

得到兩路解碼后殘差信號(hào)sres1和sres2后，秘密信息的解調(diào)在I、Q方向分別進(jìn)行。以解碼后殘差信號(hào)sres1=xres1+jyres1在I方向的解調(diào)為例，對(duì)應(yīng)的解調(diào)過(guò)程為

(15)

其中，F(xiàn)u(·)為類階躍函數(shù)，滿足

正式審議階段的主要任務(wù)是審查和討論法案，這是大多數(shù)國(guó)家立法機(jī)關(guān)在審議法案中必經(jīng)的步驟。由于我國(guó)不存在立法辯論制度，因而專門委員會(huì)的立法審查在正式審議階段發(fā)揮著舉足輕重的作用，他們負(fù)責(zé)對(duì)所提出的法案進(jìn)行檢查核對(duì)，目的在于發(fā)揮議員的專業(yè)性優(yōu)勢(shì)，保證立法的科學(xué)性與合法性。1979年后，逐漸恢復(fù)了1954年憲法確立的委員會(huì)制度，并將立法審查制度化——實(shí)行統(tǒng)一審議。統(tǒng)一審議的主要功能在于維護(hù)法制統(tǒng)一和扼制不當(dāng)利益。[14]1982年通過(guò)的《全國(guó)人民大表大會(huì)組織法》首次在法律層面對(duì)專門委員會(huì)的分工予以確定，并建立了以法律委員會(huì)為主，專門委員會(huì)為輔的統(tǒng)一審議制度。

Q方向，殘差信號(hào)sres2的解調(diào)同理。

由式(11)和(14)可知，預(yù)編碼處理可能會(huì)放大信道噪聲，降低隱信道的可靠性。預(yù)編碼矩陣的放大作用與其獨(dú)立性有關(guān)，這里以矩陣Hpc行列式的幅值作為其獨(dú)立性參數(shù)：

β=|hpc，11hpc，22-hpc，21hpc，12| 。

(16)

獨(dú)立性參數(shù)β的取值在(0，1)之間；β越大，矩陣獨(dú)立性越好，對(duì)隱信道可靠性的影響也越小。

3 仿真結(jié)果與分析

從抗檢測(cè)性與可靠性這兩方面來(lái)衡量將所提多輸入多輸出無(wú)線隱信道的性能，并將其與1.3節(jié)中基于特征值復(fù)用的現(xiàn)有方法進(jìn)行對(duì)比。需要強(qiáng)調(diào)的是，兩種多輸入多輸出無(wú)線隱信道方法中，發(fā)送方和檢測(cè)方均已知兩者之間的信道狀態(tài)信息。

兩種多輸入多輸出無(wú)線隱信道的仿真均建立在MATLAB平臺(tái)。設(shè)定發(fā)送方、接收方和檢測(cè)方均保持靜止，天線數(shù)均為2，所有信道狀態(tài)信息矩陣均由高斯分布隨機(jī)生成且在單次傳輸中保持不變。信道噪聲由軟件定義無(wú)線電系統(tǒng)采集得到，載體信息與秘密信息均由偽隨機(jī)發(fā)生器生成，載體信號(hào)由QPSK調(diào)制得到。根據(jù)部分通信協(xié)議中發(fā)送方物理層信號(hào)調(diào)制失真限制[18]，載體信號(hào)與疊加的人工噪聲總功率之比均為 13 dB，而基于特征值復(fù)用的現(xiàn)有方法中秘密信息調(diào)制得到的信號(hào)與隨機(jī)噪聲功率相等。為了更好地展示可靠性仿真結(jié)果，秘密信息在現(xiàn)有方法和所提方法中，分別使用M=5和M=10的直接序列擴(kuò)頻編碼處理，且加入置亂處理以防止擴(kuò)頻碼帶來(lái)的規(guī)律性。

隨機(jī)生成了超過(guò)100 000組2×2“發(fā)送方—檢測(cè)方” 信道狀態(tài)信息矩陣，其相關(guān)系數(shù)理論值和對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼矩陣獨(dú)立性參數(shù)統(tǒng)計(jì)框圖如圖3所示。由圖3可知，絕大部分信道狀態(tài)信息矩陣的相關(guān)系數(shù)理論值遠(yuǎn)離0；對(duì)應(yīng)的預(yù)編碼矩陣獨(dú)立性參數(shù)，β>0.5，占比超過(guò)80%；β>0.7，占比超過(guò)60%。

(a) 相關(guān)系數(shù)理論值

3.1 抗檢測(cè)性

所提多輸入多輸出無(wú)線隱信道的復(fù)合殘差信號(hào)I方向、Q方向、幅值和相位的KL散度和KS距離以及I方向和Q方向相關(guān)系數(shù)如圖4所示。隨機(jī)選取2個(gè)“發(fā)送方—檢測(cè)方” 信道狀態(tài)信息矩陣，其相關(guān)系數(shù)理論值α為-0.307和0.640，由圖4(a)～(h)可知，兩種多輸入多輸出方法的KL散度和KS距離都較小，與正常信道噪聲分布差異較小。圖4(i)和(j)中，現(xiàn)有方法復(fù)合殘差信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)隨著信噪比增大逐漸接近理論值，而所提方法的相關(guān)系數(shù)接近0。仿真結(jié)果表明，基于預(yù)編碼的多輸入多輸出無(wú)線隱信道的抗檢測(cè)性強(qiáng)于現(xiàn)有方法。

(a) I方向

(e) I方向

(i) I方向

3.2 可靠性

所提多輸入多輸出無(wú)線隱信道的秘密信息誤比特率如圖5所示，同時(shí)給出基于特征值復(fù)用的現(xiàn)有方法秘密信息誤比特率進(jìn)行對(duì)比。隨機(jī)選取預(yù)編碼矩陣獨(dú)立性參數(shù)滿足β=0.9，0.7，0.5的多個(gè)“發(fā)送方—檢測(cè)方” 信道狀態(tài)信息矩陣。由圖5(a)～(c)可知，所提方法在相同的預(yù)編碼矩陣獨(dú)立性參數(shù)下，秘密信息誤比特率相近。將各獨(dú)立性參數(shù)下多個(gè)信道狀態(tài)信息矩陣仿真結(jié)果的平均值作為所提方法在對(duì)應(yīng)參數(shù)下的秘密信息誤比特率。由圖5(d)可知，基于特征值復(fù)用的現(xiàn)有方法由于疊加的隨機(jī)噪聲的干擾，秘密信息誤比特率較大；預(yù)編碼方法秘密信息誤比特率隨獨(dú)立性參數(shù)的降低而升高；且β=0.9和0.7時(shí)所提方法誤碼率低于現(xiàn)有方法，β=0.5時(shí)在高信噪比時(shí)誤碼率低于現(xiàn)有方法。仿真結(jié)果表明，基于預(yù)編碼的多輸入多輸出無(wú)線隱信道的可靠性較現(xiàn)有方法有一定的提高。

(a) β=0.9

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)多輸入多輸出無(wú)線隱信道模型進(jìn)行分析，筆者將多路信號(hào)之間的相關(guān)系數(shù)引入其抗檢測(cè)性指標(biāo)；隨后提出一種基于預(yù)編碼的多輸入多輸出無(wú)線隱信道，利用已知的“發(fā)送方—檢測(cè)方”之間的信道狀態(tài)信息對(duì)生成的人工噪聲進(jìn)行預(yù)編碼處理，以去除多路信號(hào)之間的相關(guān)性。仿真結(jié)果表明，相較于現(xiàn)有基于特征值復(fù)用的多輸出多輸出方法，所提多輸入多輸出無(wú)線隱信道在抗檢測(cè)性顯著增強(qiáng)的同時(shí)可靠性也有一定的提高。

下一步工作將考慮信道狀態(tài)信息變化迅速的多輸入多輸出場(chǎng)景下的無(wú)線隱信道問(wèn)題。