[发明专利]基于S变换的物理层信号水印嵌入方法

说明书

本发明公开了一种基于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，本发明的积极效果是：本发明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。

技术领域

本发明涉及一种基于S变换的物理层信号水印嵌入方法。

背景技术

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。

与本发明相关的现有技术有：

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：