[发明专利]面向4G通信的物理层数字水印方法

说明书

本发明公开了一种面向4G通信的物理层数字水印方法，该方法利用共享密钥和信道具有短时互异性的优势，在发送方利用4G通信中利用导频信号由信道估计得到的估计值和预先共享的密钥，通过单向哈希函数对数据包中每个数据字段生成数字水印信息，经扩频处理得到标签信号，将标签信号嵌入载体信号中并将叠加的信号发送给接收方；在接收方检测并提取出水印数据得到水印信息，对导频信号重新计算水印信息，通过判断两次数字水印信息是否相同，判断数据是否来自同一发送方。本发明将安全认证信息调制在无线载波信号中，不需要复杂的密码算法，减小了通信过程中的计算量，在不牺牲消息吞吐量的情况下实现了载体信号和水印信号误码性能的提高。

技术领域

本发明涉及数字水印技术领域，特别是一种面向4G通信的物理层水印方法。

背景技术

在数字水印系统中，用于数字水印嵌入的载体是随着时代的发展而不同的，而且该改变与人类的通信方式息息相关。随着人类社会的进步和科技的发展，无线通信技术正在不断改变人们的生活和工作方式，无线通信网络成为人们日常生活不可或缺的一部分。特别是最近几年，无线通信技术进入了一个更新换代的蓬勃发展时期，各种无线通信新技术不断涌现并逐步走向成熟。鉴于无线媒介的广播特性，其信息传输的安全性一直备受关注。作为加密技术的一种补充，物理层安全成为一种新的研究方向。

马里兰大学Baras团队提出了一种基于物理层的数字水印技术，将应用层的认证信息隐藏到信号的幅度或相位信息中，从而节约频带资源，提高资源利用率，并进一步该方法运用到多载波和多天线系统中，并在无线电平台上进行了验证。Goergen在认知无线电的研究中应用信号水印，用于免授权频段的多种无线系统共存，可以在不影响频段原有授权者使用情况下，尽最大可能利用空闲时的频谱进行通信，并进一步推广到MIMO环境下。在大多数现有方案中，将水印信号添加到载体信号中的方式是使水印信号对载体信号而言就像噪声一样，我们称此方法为“盲信号叠加方法”。在这样的方法中，由于水印信号的存在，当载体信号被解码时会导致载体信号的信噪比降低。因此，在载体信号的SNR和水印信号的SNR之间存在一个基本的权衡。这意味着，当水印信号的SNR增加到足以对接收信号进行身份认证的水平时，载体信号的SNR就会显著下降。

发明内容

本发明的目的在于提供一种面向4G通信的物理层数字水印方法，在物理层实现数字水印的嵌入，节约频带资源，提高资源利用率。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种面向4G通信的物理层数字水印方法，用于对无线通信中数据的安全认证，包括发送方进行水印信息的嵌入和接收方进行水印信息的提取两个部分，具体步骤如下：

(1)发送方进行数字水印的嵌入：

发送方读取接收的导频信号，进行信道估计，获得信道估计值h_rs；

利用信道估计值h_rs和预先共享的密钥k，用Hash表示密钥函数，通过单向哈希函数对数据包中每个数据字段生成唯一关联的数字水印信息，表示为w＝Hash(k,h_rs)；

将得到的数字水印信息w经过扩频处理得到标签信号s_S；

将扩频后的标签信号s_S利用内缩外扩的水印方法嵌入到载体信号S_t中得到载密信号x；

通过射频设备USRP将嵌入数字水印的载密信号x变为射频信号并发送；

(2)接收方进行数字水印的提取：

接收方通过射频设备得到4G信号中嵌入数字水印的载密信号；

对嵌入数字水印的载密信号进行解扩处理，检测并提取出水印数据，得到水印信息w′；

对导频信号重新计算水印信息，表示为w″；

计算两个水印之间的相关系数