基于环境信号附加调相的信号隐写与安全传输方法

技术领域

本发明涉及无线通信技术领域，特别涉及一种基于环境信号附加调相的信号隐写与安全传输方法。

背景技术

传统隐蔽通信系统如跳频、扩频通信是将信号能量按既定规则或码本分别在时间或频率上打散，以增加信号检测难度。然而，此类通信系统需要主动发射独有特征的信号，其态势无法隐藏，易暴露。以多媒体信息为载体的信息隐写技术是利用媒体信息的冗余特性实现信息比特隐藏，然而此类方案作用在信息层，需要通过各种隐藏和提取算法更改载体的信息结构，存在复杂度高、效率低的问题。因此，如何以更隐蔽、高效的手段保证通信行为的隐蔽性，仍是现代信息对抗领域亟待解决的一个重要问题。

背向散射作为一种不主动发射信号的通信技术，其核心原理是将环境信号中原有的信息过滤掉并把能量收集下来，之后利用收集下的能量将待发信息发送出去。但是，就环境信号来说，由于背向散射发射的信号不包含环境信号的信息，背向散射器件相当于同时同频的干扰源，导致其通信行为的隐蔽性能较差。利用RIS反射波束的不同增益承载信息，也能够在不主动发射信号的情况下实现信息的传输。但是该方案不同增益波束的切换使得在RIS覆盖范围的接收机内都能检测到规律的幅度响应变化，导致通信行为的隐蔽性不足，易被检测；其次，规律的幅度响应变化暗含发送端发送传输的二进制信息，通信内容的安全性也无法保障，进而影响方案在隐蔽通信中的实际应用。

发明内容

为此，本发明提供一种基于环境信号附加调相的信号隐写与安全传输方法，解决现有方案隐蔽性不足、通信内容安全无法保障等情形，能够在不发射信号的情况下通过对环境信号相位的调制来实现信号层面的隐写，以完成信息的隐蔽传输，实施简单，发射端不需要主动发射信号，能够增强通信行为的隐蔽性及信息传输的安全性，具有一定的应用价值。

按照本发明所提供的设计方案，一方面，提供一种基于环境信号附加调相的信号隐写方法，包含如下内容：

将待传递的隐写信息映射为隐写发送端可按需调控电磁响应硬件的控制码字；

按控制码字对环境信号相位进行按需调控，以将环境信号相位偏移量叠加在可按需调控电磁响应硬件各发射元素上并利用相位变化来承载隐蔽通信待隐写信息。

本案方案中，面向信号隐写和安全传输场景，将能够按需调控电磁响应的各类硬件作为系统发射端，可利用方向调制、窃听方位零陷等技术以调控环境信号相位的方式生成安全波束来保障隐写信息的安全传输；将相位偏移量叠加在电磁响应硬件的各元素上，通过相位变化承载信息，实现信号隐写及安全传输。

进一步地，将待传递的隐写信息映射为隐写发送端可按需调控电磁响应硬件的控制码字，包括：

首先，隐写发送端依据环境信号源及隐写接收端的位置信息来获取信号入射角及出射角，并将出射波束主瓣对准隐写接收端，以生成安全相移矩阵；

然后，将安全相移矩阵作为初始控制码字，以配置隐写发送端的可按需调控电磁响应硬件。

进一步地，隐写发送端中的可按需调控电磁响应硬件，该硬件采用反射式可重构智能表面或采用透射式可控玻璃天线来根据环境信号源及隐写接收端位置获取环境信号入射角及出射角以生成安全相移矩阵。

进一步地，生成安全相移矩阵，包含：

首先，根据基站以及隐写接收端位置获取可按需调控电磁响应硬件处的信号入射角及反射角，并依据信号入射角和反射角来获取隐写接收端方位的反射波束增益与相移矩阵间的关系；

然后，按照预设规则生成安全相移矩阵，其中，预设规则包括但不限于最大化接收端增益生成规则、窃听方位零陷生成规则和方向调制生成规则。

进一步地，按控制码字对环境信号相位进行按需调控，包含：

隐写发送端将待传递的隐写信息映射为相位偏移量，将相位偏移量叠加到安全相移矩阵各元素中并生成隐写相移矩阵，将隐写相移矩阵作为控制码字重新配置可按需调控电磁响应硬件，以将隐写信息寄生在环境信号上来执行隐写信息的发送。

进一步地，将相位偏移量叠加到安全相移矩阵各元素中并生成隐写相移矩阵，包括：

设定可按需调控电磁响应硬件的各元素叠加相同相位偏移量时波束主瓣指向及幅度不变，隐写发送端依据待传递的隐写信息与相位偏移量之间的映射关系确定待调制相移，将相位偏移量映射叠加在安全相移矩阵各元素中，以利用相位偏移量承载待传递隐写信息。

进一步地，将相位偏移量叠加到安全相移矩阵各元素的过程可表示为：Φ＝e

又一方面，本发明还提供一种信号安全传输方法，包含如下内容：

基于上述的信号隐写方法对待传递的隐写信息进行隐写传递；

隐写接收端通过环境信号源广播的公开导频来估计级联信道状态，以利用信道状态接收并恢复隐写信息。

由于环境信号的相位变化发生在环境信号传播过程中，由发送方导致的环境信号变化可以等效为信道相位向响应的变化；接收端可以通过环境信号发送的公开导频信道估计，获得相位响应变化，判别发送方传递的隐写信息。利用相移不同的波束捷变完成信息发送，在捷变过程中，由于发送端通过反射环境信号的方式传输信息，对原有通信系统产生的影响仅等效于一条多径发生变化，通信行为的隐蔽性更强；隐写信息通过安全波束传输，能够最大程度减少信息的泄露；最后，由于不同波束的幅度方向图相同，所以不会导致有规律的幅度响应变化，降低通信行为暴露的风险，以保障通信行为的隐蔽性和信息内容的安全性。

其中，隐写接收端通过环境信号源广播的公开导频来估计级联信道状态，以利用信道状态接收并恢复隐写信息，可设计为包含：

首先，隐写接收端利用环境信号源广播的公开导频持续监听信道，获取隐写传输信道状态，并通过信道估计获取带有相位调制的级联信道状态；

然后，根据级联信道状态及隐写传输信道状态之间的相位相应差来确定隐写发送端配置的相位偏移量，根据相位偏移量与二进制数据的映射关系恢复出隐写发送端所传递的隐写信息

再一方面，结合以上的基于环境信号附加调相的信号隐写和安全传输方法，本发明还提供一种信号安全传输系统，包含：隐写发送端和隐写接收端，其中，

隐写发送端，包括信源映射单元和可按需调控电磁响应硬件，所述信源映射单元用于将待传递的隐写信息映射为可按需调控电磁响应硬件的控制码字，可按需调控电磁响应硬件用于依据控制码字对环境信号相位进行按需调控，以将环境信号相位偏移量叠加在可按需调控电磁响应硬件各发射元素上并利用相位变化来承载隐蔽通信待隐写信息；

隐写接收端，用于通过环境信号源广播的公开导频来估计级联信道状态，以利用信道状态变化接收并恢复隐写信息。

本发明的有益效果：

本发明在不主动发射信号的情况下，能够以可按需调控电磁响应的硬件作为发送端，通过调控环境信号相位方式，实现信号的隐写，具有体积小、功耗低、通信行为隐蔽性强等优势；在信号隐写的基础上实现基于位置的安全传输，通信内容的安全性更有保障，效率更高，便于隐蔽通信场景中的实际应用。

附图说明：

图1为实施例中基于环境信号附加调相的信号隐写流程示意；

图2为实施例中信号隐写传输模型框架示意；

图3为实施例中隐写收发流程示意；

图4为实施例中RIS幅度方向图示意；

图5为实施例中RIS相位方向图示意。

具体实施方式：

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚、明白，下面结合附图和技术方案对本发明作进一步详细的说明。

针对背景技术中所描述的现有方案隐蔽性不足、通信内容安全无法保障等情形，本发明实施例中，提供一种基于环境信号附加调相的信号隐写方法，包含如下内容：

将待传递的隐写信息映射为隐写发送端可按需调控电磁响应硬件的控制码字；按控制码字对环境信号相位进行按需调控，以将环境信号相位偏移量叠加在可按需调控电磁响应硬件各发射元素上并利用相位变化来承载隐蔽通信待隐写信息。

参见图1和2所示，将能够按需调控电磁响应的硬件作为隐写发射端，通过调控环境信号相位的方式生成安全波束，保障隐写信息的安全传输；然后，利用可按需调控电磁响应硬件的各元素叠加相同相位偏移量不改变波束主瓣指向及幅度的性质，将相位偏移量叠加在电磁响应硬件的各元素上，通过相位变化承载信息，实现信号隐写及安全传输。

其中，将待传递的隐写信息映射为隐写发送端可按需调控电磁响应硬件的控制码字，可设计为包括如下内容：

首先，隐写发送端依据环境信号源及隐写接收端的位置信息来获取信号入射角及出射角，并将出射波束主瓣对准隐写接收端，以生成安全相移矩阵；

然后，将安全相移矩阵作为初始控制码字，以配置隐写发送端的可按需调控电磁响应硬件。

具体地，隐写发送端中的可按需调控电磁响应硬件，该硬件采用反射式可重构智能表面或采用透射式可控玻璃天线来根据环境信号源及隐写接收端位置获取环境信号入射角及出射角以生成安全相移矩阵。

本案实施例中，以可重构智能表面(Reconfigurable Intelligent Surface，RIS)为作为隐写发送端中的可按需调控电磁响应硬件，也可以选用透射式可调玻璃天线等作为隐写发送端中的可按需调控电磁响应硬件；通过最大化接收端方位的反射增益生成安全相移矩阵，也可选用窃听方位零陷、方向调制等规则方式来生成安全相移矩阵。

其中，通过最大化接收端方位的反射增益生成安全相移矩阵，可设计为包含如下内容：

首先，根据基站以及隐写接收端位置获取可按需调控电磁响应硬件处的信号入射角及反射角，并依据信号入射角和反射角来获取隐写接收端方位的反射波束增益与相移矩阵间的关系；

然后，以最大化接收端方位反射增益为目标建立目标优化问题，并设置多路信号同相叠加时反射波束增益与相移矩阵间关系最大，通过目标优化问题的求解来获取最佳的安全相移矩阵。参见图2所示，基站为单天线基站，隐写发送端包括RIS反射面及其控制单元，RIS为列控均匀平面阵，有M列阵元，接收端为单天线接收机。记环境信号源到隐写发送端的信道为

其中，

为实现信号隐写及安全传输，设计的RIS相移由两部分组成：Φ＝e

为获取安全相移矩阵Φ

其中，

由此问题P0可被表述为：

P1:

当多路信号同相叠加时f(Φ)最大，由此求得最佳相移矩阵

其中，按控制码字对环境信号相位进行按需调控，可设计为包含如下内容：

隐写发送端将待传递的隐写信息映射为相位偏移量，将相位偏移量叠加到安全相移矩阵各元素中并生成隐写相移矩阵，将隐写相移矩阵作为控制码字重新配置可按需调控电磁响应硬件，以将隐写信息寄生在环境信号上来执行隐写信息的发送。

具体地，设定可按需调控电磁响应硬件的各元素叠加相同相位偏移量时波束主瓣指向及幅度不变，隐写发送端依据待传递的隐写信息与相位偏移量之间的映射关系确定待调制相移，将相位偏移量映射叠加在安全相移矩阵各元素中，以利用相位偏移量承载待传递隐写信息。

进一步地，本发明实施例还提供一种信号安全传输方法，包含如下内容够：

基于上述的信号隐写方法对待传递的隐写信息进行隐写传递；

隐写接收端通过环境信号源广播的公开导频来估计级联信道状态，以利用信道状态接收并恢复隐写信息。

其中，隐写接收端通过环境信号源广播的公开导频来估计级联信道状态，以利用信道状态接收并恢复隐写信息，可设计为包含如下内容：

首先，隐写接收端利用环境信号源广播的公开导频持续监听信道，获取隐写传输信道状态，并通过信道估计获取带有相位调制的级联信道状态；

然后，根据级联信道状态及隐写传输信道状态之间的相位相应差来确定隐写发送端配置的相位偏移量，根据相位偏移量与二进制数据的映射关系恢复出隐写发送端所传递的隐写信息。

如图3所示，隐写发送端根据环境信号源及隐写接收端的位置信息获得隐写接收端的入射角γ及反射角

RIS具有所有阵元相移相同不改变幅度方向图的性质，如图4和5所示，Φ与Φ×e

接收端通过环境信号源发送的公共导频监测信道，当隐写发送端没有进行隐写通信时，RIS阵面相移矩阵配置为安全相移矩阵Φ

根据的h

进一步地，结合以上的基于环境信号附加调相的信号隐写和安全传输方法，本发明实施例还提供一种信号安全传输系统，包含：隐写发送端和隐写接收端，其中，

隐写发送端，包括信源映射单元和可按需调控电磁响应硬件，所述信源映射单元用于将待传递的隐写信息映射为可按需调控电磁响应硬件的控制码字，可按需调控电磁响应硬件用于依据控制码字对环境信号相位进行按需调控，以将环境信号相位偏移量叠加在可按需调控电磁响应硬件各发射元素上并利用相位变化来承载隐蔽通信待隐写信息；

隐写接收端，用于通过环境信号源广播的公开导频来估计级联信道状态，以利用信道状态接收并恢复隐写信息。

信源映射单元将待传递的隐写信息映射为可按需调控电磁响应硬件的控制码字；可按需调控电磁响应的硬件能够按照控制码字，独立实现对入射环境信号相位进行按需调控，并通过反射、透射等方式发射出去。基于此功能，隐写发送端通过改变环境信号的相位，实现隐写信息的相位调制，完成隐写信号的发送。对于隐写接收端来说，由于环境信号相位的改变发生在信号传播过程中，所以隐写发送端对环境信号相位的改变可以等效为环境信号源到隐写接收端级联信道的变化，隐写接收端通过环境信号源广播的公开导频持续监听信道，从信道变化中获取相位信息，进而恢复出隐写信息。利用相移不同的波束捷变完成信息发送，在捷变过程中，由于发送端通过反射环境信号的方式传输信息，对原有通信系统产生的影响仅等效于一条多径发生变化，通信行为的隐蔽性更强；隐写信息通过安全波束传输，能够最大程度减少信息的泄露；最后，由于不同波束的幅度方向图相同，所以RIS捷变不会导致有规律的幅度响应变化，进而降低通信内容被截获的风险。

除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对步骤、数字表达式和数值并不限制本发明的范围。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的系统而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

结合本文中所公开的实施例描述的各实例的单元及方法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能是以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。本领域普通技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不认为超出本发明的范围。

本领域普通技术人员可以理解上述方法中的全部或部分步骤可通过程序来指令相关硬件完成，所述程序可以存储于计算机可读存储介质中，如：只读存储器、磁盘或光盘等。可选地，上述实施例的全部或部分步骤也可以使用一个或多个集成电路来实现，相应地，上述实施例中的各模块/单元可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能模块的形式实现。本发明不限制于任何特定形式的硬件和软件的结合。

最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。